Multiphysical modeling of a next generation PEM electrolyser

Abstract

Anvendelse av hydrogen som energibærer er en viktig teknologi for å møte verdens økende energibehov på en måte frigjort fra karbon. Elektrolyse av vann er en bærekraftig metode å produsere hydrogen på, men fagfeltet ligger foreløpig bak i forhold til hydrogen-brenselceller. Modellering med en multifysisk tilnærming er nøkkelen til økt innsikt i prosesser som foregår inni elektrolysecellen, og til å akselerere forskning på ny teknologi for et kommersielt levedyktig grønt skifte.

Omfattende rammeverk for modellering er utviklet for proton exchange-membran(PEM)-brenselceller, men er anvendt i varierende grad i eksisterende PEM-elektrolyse-modeller. Et slikt rammeverk blir i denne avhandlingen anvendt i en modell av en ny type PEM-electrolysecelle med tynnere membran. En modell for elektrolysecellen under både steady-state og dynamisk drift blir presentert, og implemenert ved bruk av utelukkende open-source-programvare for å belyse anvendbarheten av åpent tilgjengelige modelleringsverktøy til modellering av komplekse elektrokjemiske systemer.

Modellen valideres mot interne eksperimentelle data, og brukes til å oppnå innsikt i interne fenomen i elektrolysecellen. Sensitivitetsstudier gjennomføres for virkningen av varierende driftsparametre på lokale fenomen som vanngjennomtrengning og motstand mot transport, og systemrespons på en step-perturbasjon simuleres.

The utilization of hydrogen as an energy carrier is an important technology to satisfy the world's increasing energy demands in a non-carbonized way. A sustainable method to produce hydrogen is by electrolysis of water, however this field is presently lagging behind the field of hydrogen fuel cells. Computational modeling by a multiphysical approach provides the key to increased insight into processes within the electrolyser, and to accelerating development of new technology for a commercially viable green energy transition.

Comprehensive modeling frameworks have been developed for the field of proton exchange membrane (PEM) fuel cells, but are applied to highly varying degree in state of the art PEM electrolyser models. Such a framework is in this thesis applied in a computational model of a PEM electrolyser of a novel thin-membrane design. A model system for both steady-state and transient simulations is presented, and is implemented using open-source software in order to throw light on the applicability of the most accessible computational modeling tools to modeling of complex electrochemical systems.

The model is validated against in-house experimental data, and used to gain insights into phenomena internal to the electrolyser. Sensitivity studies of the impact of varying operational conditions on local phenomena such as water penetration and transport resistances are performed, and the system response to a sudden step perturbation is simulated.