Flow field optimisation and stack design for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

Abstract

Anion Exchange Membrane VannElektrolyse (AEMVE) er en moderne teknologi med utspring fra PEM- og AWE vannelektrolyse. Anion Exchange Membrane (AEM) og et alkalisk miljø gjør at elektrolyseprosessen kan utføres med elektrokatalysatorer av uedlemetaller, noe som fører til en betydelig kostreduksjon. Det at dette er relativt ny teknologi gjør at det fortsatt kreves forskning for videreutvikling, for eksempel utvikling av spesifikke komponentmaterialer for AEMVE, finne måter å redusere overpotensialer på, og å øke effekt og membranstabilitet under operering. Denne rapporten er et forsøk på å optimere fluidfeltet til uni- og bipolare plater, ved hjelp av Computational Fluid Dynamics (CFD), og å modellere, simulere og produsere en AEMVE stack, bestående av tre celler med et aktivt areal på 50 cm2. Gjennomføringen av dette fører til at vi (etter hva vi vet) er av de første i verden til å produsere en AEMVE stack. Flere ting har blitt gjort for å redusere bruk av materiale, under modelleringen av AEMVE stacken. For eksempel er det brukt to strømisolerende bolter gjennom stacken, noe somfører til en bemerkelsesverdig volumreduksjon. En annen løsning som har blitt gjennomført er å designe de unipolare platene med strømterminaler, som fører til at det ikke trengs egne plater for strømtilkoblingen. Fra simuleringene av fluidflyt i COMSOL Multiphysics har forskjellige konsepter blitt analysert og sammenlignet, for å finne de mest optimale løsningene til de uni- og bipolare platene. Resultatene viser til at fluidfeltet kan forbedres ytterligere, ved å justere inlet- og outlet kanaldesignet separat, enn å ha identisk inlet- og outletkanaler. Den endelige optimeringen viste en 50% forbedring av væskedistribusjon, i den mest vanskeligstiltekanalen i flowfieldet. På grunn av omstendighetene rundt koronaviruset, og forsinkelser ved verkstedet, vil detikke bli presentert praktiske stacktester i denne rapporten.

Anion Exchange Membrane Water Electrolysis (AEMWE) is a developing technologypursuing the mature PEM- and Alkaline water electrolysis technologies. Using the Anion Exchange Membrane (AEM) and an alkaline environment, the electrolytic process can be achieved with non noble metals as electrocatalysts, leading to a remarkable cost reduction. With this being state of the art technology, it still requires more research to advance,such as developing component materials specified for the AEMWE, ways to reduce the overpotentials, increasing the AEMWE efficiency, and membrane stability, during operation.This thesis is an approach to optimise the flow field of the flow field plates by Computational Fluid Dynamics (CFD), and, to model, simulate and produce an AEMWE stack assembly with three cells of 50 cm2. By our knowledge being one of the first in the world to produce an AEMWE stack assembly.By designing the stack assembly, several things have been done to reduce the material usage. For instance, using two electrical insulated centre bolts, with passage through the stack assembly, reducing the volume of the end plates significantly. Another solution of the stack assembly, is attaching current terminals to the unipolar plates, avoiding the need for separate current collectors.From fluid flow simulations in COMSOL Multiphysics, different flow field patterns and concepts have been analysed and compared to find the optimal solution for the flow fieldplates. The results have shown that by separately adjusting the inlet- and outlet channeldesign, the flow field can be even further improved, than by identical inlet- and outlet channels. The final optimisation resulted in a 50% flow distribution improvement in themost disadvantaged channel of the flow field. Due to the corona virus, delays at the workshop lead to there being no practical testsof the stack assembly to present in the bachelor thesis.