Optical Measurements and Numerical Modeling of the Temperature Distribution Across a Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell

Abstract

Effektiv varmestyring er avgjørende for å optimalisere ytelsen til Proton-utveksling membran (PEM) brenselsceller. Flere numeriske modeller er designet for å predikere temperaturvariasjonene til en PEM brenselcelle under drift. Det er derimot manglende eksperimentell data til å validere disse modellene. Til tross for en høy etterspørsel etter eksperimentelle målinger, har forskningen vært bremset på grunn av mangelen på et egnet måleinstrument som er upåvirket av elektrokjemien i brenselcellen.

Denne hovedoppgaven presenterer en ny tilnærming for å oppnå nøyaktige temperatur målinger ved bruk av en optisk fiber med Fiber Bragg Gitter (FBG) sensorer. En FBG sensor er installert mellom to gassdiffusjonslag (GDL) på katodesiden til en PEM brenselcelle. FBGen er så kalibrert mot et nærliggende termometer, hvor en lineær respons til temperaturøkningen er observert. Under drift av PEM brenselcellen, måler FBGen en betydelig temperaturøkning for økt strømtetthet med en god temperaturrespons. Over en økning av strømtettheten fra 0.32 til 1.4 A/cm2, måler FBGen en temperaturøkning på 13.13 °C. Sensorinstallasjonen som er presentert i denne hovedoppgaven er enkel å gjenskape for videre forskning, da den ikke krever spesiallagde deler. Videre gir funnene verdifull innsikt i temperaturvariasjonene i PEM-brenselceller, og fremhever optiske FBG-sensorer som en egnet sensorteknologi for elektrokjemiske celler.

Videre i denne hovedoppgaven er det utviklet en en-dimensjonal modell for å simulere temperaturvariasjonen over PEM-brenselcellen for varierende strømtetthet og vanninnhold. I motsetning til konvensjonelle modeller, som vanligvis antar konstant temperatur over grafittplatene, anvender denne modellen temperaturene målt i første del av oppgaven. Ved å anvende eksperimentell data økes nøyaktigheten til modellen, spesielt ved høy strømtetthet hvor temperaturvariasjoner over grafittplatene er observert. Å anerkjenne denne temperaturvariasjon er avgjørende for videre utvikling av numeriske modeller for PEM brenselceller.

Effective heat management is essential for optimizing the performance of Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells. While numerous models exist to predict the thermal behavior of PEM fuel cells, they are limited by the lack of experimental data to validate their designs. This is largely due to the absence of experimental techniques that withstand their electrically and chemically harsh environment while remaining small enough to avoid interference with cell operation.

In the initial part of this thesis, a novel approach for in-situ temperature measurements using optical Fiber Bragg Grating (FBG) sensors is investigated. A single FBG is embedded between two Gas Diffusion Layers (GDLs) at the cathode of a laboratory PEM fuel cell. Furthermore, the FBG is calibrated against a co-located thermocouple, showing a linear response over the operating range. During operation, the FBG records a significant temperature increase with changes in current and exhibits a good temporal response. At the cathode GDL, a temperature rise of 13.13 °C is observed between 0.32 and 1.4 A/cm2. In conclusion, the initial part of this study offers valuable insights into the thermal behavior of PEM fuel cells and highlights FBGs as a potential sensor technology for electrochemical devices. Moreover, the presented sensor implementation is highly advantageous as it is easily adaptable, requiring only off-the-shelf components.

In the second part of this thesis, a one-dimensional thermal model is created to simulate the temperature distribution across the laboratory PEM fuel cell during testing. In contrast to traditional models, which typically enforce a fixed temperature across the graphite plate, this model integrates the FBG-measured temperatures as the boundary condition. Furthermore, experimentally derived thermal conductivities of the PEM fuel cell components are added to the model. This implementation of empirical data is seen to have a notable impact on the simulated temperature profiles, enhancing their accuracy. This is particularly true at higher currents where a temperature gradient is observed over the graphite plate. Recognizing this temperature gradient is a crucial step toward advancing numerical PEM fuel cell models.