Electrochemical hydrogen compressor : modelling and experimental campaign

The energy world is changing rapidly pushed also by the need of new green energy sources for the reduction of the greenhouse gases emissions. The fast development of renewable energies has created many problems in the grid management and stability which could be solved with storage systems. The hydrogen economy could be an answer to the need of storage systems and clean fuel for transportations. The Electrochemical Hydrogen Compressor (EHC) is an electrochemical device which could find a place in this scenario giving a solution for the hydrogen purification and compression for storage. This work analyzes, through an experimental campaign, the performances of the EHC in terms of polarization curve, Hydrogen Recovery Factor, energy consumption for kilogram of hydrogen produced and the outlet hydrogen purity computed with a micro Gas Chromatograph. Many input parameters such as the total inlet flow, the hydrogen inlet concentration, the contaminant fed, and the cathode pressure are changed for the analysis. In all the experiments it is also highlighted the importance of the water management for better performances. Furthermore, the EHC performances are modelled in Matlab® implementing a 1D+1D model which solves with a numerical method the Butler-Volmer system of equations. In the end it is performed an energy comparison with respect to a conventional plant composed of a Vacuum Pressure Swing Adsorber and an intercooled compressor to reach the required pressure for the hydrogen outlet. The experimental campaign shown super high purities obtained for hydrogen separation from N2 and CH4 and purities almost always over 98% feeding He. The case of CO2 as contaminant shown the catalyst poisoning because of Reverse Water Gas Shift and low purities making the EHC unsuitable for applications with this contaminant. Cathode pressure increase shown a slight improve of purity. The energy comparison shown that the EHC is more competitive in application where the inlet hydrogen concentration is lower than the 50%.

Il mondo dell’energia sta cambiando rapidamente anche a causa della necessità di utilizzare fonti rinnovabili per ridurre le emissioni dei gas serra. Il rapido sviluppo delle energie rinnovabili ha creato diversi problemi nella gestione e nella stabilità della rete elettrica che potrebbero essere risolti utilizzando sistemi di accumulo dell’energia. Una possibile soluzione per i sistemi di accumulo e il bisogno di carburanti puliti per i trasporti potrebbe essere l’idrogeno. Il compressore elettrochimico di idrogeno (EHC) è un dispositivo che potrebbe risolvere i problemi energetici di purificazione e compressione dell’idrogeno. Attraverso una campagna sperimentale vengono analizzate le prestazioni dell’EHC in termini di curve di polarizzazione, fattore di recupero dell’idrogeno, consumo energetico per kilogrammo di idrogeno e purezza la quale viene calcolata tramite l’utilizzo di una micro Gascromatografo. Numerosi parametri come il flusso totale in ingresso, la concentrazione di idrogeno in ingresso, il tipo di contaminante e la pressione al catodo sono stati variati durante l’analisi. In tutti gli esperimenti è emersa l’importanza del controllo dell’umidità per mantenere prestazioni elevate. Inoltre, si è sviluppato un modello in Matlab® 1D+1D che risolve, con un metodo numerico, il sistema di equazioni di Butler-Volmer. Infine, si è comparato, dal punto di vista energetico, l’EHC rispetto ad un impianto tradizionale composto da un adsorbitore a letto fisso subatmosferico e da un compressore interrefrigerato. La campagna sperimentale mostra una purezza elevatissima per la separazione di H2 da N2 o CH4 e purezze superiori al 98% nella separazione da He. L’EHC risulta inadeguato nel caso con CO2 come contaminante, a causa di basse purezze e dell’avvelenamento del catalizzatore causato dalla reazione inversa dello spostamento del gas d’acqua. L’aumento della pressione al catodo risulta in una purezza leggermente più elevata dell’idrogeno. La comparazione economica mostra che l’EHC a concentrazioni di idrogeno in ingresso minori del 50% risulta essere vantaggioso.