Development of a stationary and a preliminary dynamic model for proton exchange membrane (PEM) electrolyzer

Climate change and the accelerating depletion of fossil fuels have a tremendous surge in the development of clean and sustainable energy sources e.g. wind-, solar- and hydropower. With an increasing market penetration of intermittent renewable energy generation, the need for energy storage is more apparent. Hydrogen has been identified as a suitable energy carrier and water electrolysis is one way to produce it in a sustainable and environmentally friendly way. PEM electrolysis is a rapidly evolving newly commercial electrolyser technology which uses a solid polymer membrane to split pure water into hydrogen and oxygen. A preliminary dynamic zero-dimension model has been developed for this manner to describe the performance of PEMEC stack on Aspen Custom Modeler. Moreover, the model includes water, hydrogen and oxygen mass transport phenomena, electro-osmotic drag, diffusion and permeabilities through the membrane. A further feature of the model is considered a lumped energy balance equation to analyze the dynamic inertial of the system when the electrical input is fluctuating. Suitable values and assumptions were made to identify the model’s parameters after an extended literature review in section 3. To calibrate and validate the model a set of experimental data obtained from experimental work performed by researchers of the Department of Energy of Politecnico di Milano that inevitably involves a specific device built by Proton On Site manufacturer. In section 4, the experimental data were analyzed and evaluated in terms of the daily profiles when the electrical input varies. Suitable average values were obtain using Matlab software, then these values were used for the calibration of the model. The model was calibrated and validated taking into consideration the most important parameters that affect the performance of the stack when it operates in steady state conditions. A sensitivity analysis was performed in section 5 for each model’s parameters and suitable ranges were obtained to fit the experimental data. The parameters that were chosen to be fit were the exchange currents, transfer coefficients both for anode and cathode, the width of the membrane and the resistivities of the electrodes both in anode and cathode. The other geometrical parameters were not considered in the calibration. Also, the electro-osmotic drag coefficient was handled as a fixed value obtained from the literature since in terms of polarization curve has no effect. The results of the calibration were evaluated in term of mean absolute relative terms (MARD) and the best solution was obtained. The model was validated against different data, when the stack was operated in a daily peak load, than the one which was used for the calibration. The results of the model validation showed an appropriate fitting with the stack behaviour. A preliminary dynamic system was performed in Aspen Plus Dynamic to investigate the performance of the calibrated stack when the electrical input varies and considering the basic components that are used in the electrolyzer systems. The components that were used in the system were: a heat exchanger, a separator of water/oxygen, a separator of water/hydrogen, a pump and two mixers. The data concerning the input-output flow rates, the variation of temperature and pressure of each component of the system were not available, so the dynamic performance was focused on the stack and the heat exchanger of the system that regulated the inlet anode temperature of the stack. The thermal capacity of the stack was obtained by assuming reasonable values on the geometrical parameters and the materials of the stack. No calibration was performed on this parameter since no suitable data were available for the system operation. A comparison was performed in terms of current density and temperature between experimental and simulated results. The system was able to predicts with good approximation both values into two different sample profiles of the experimental data. Lastly, a comparison was made between experimental and simulated hydrogen production. The simulated hydrogen production was overestimated the production and also appear to have fluctuating profile, where the experimental hydrogen production was steady. This difference was mainly that the purification columns of the hydrogen was not included in the dynamic model system.

Il cambiamento climatico e l'esaurimento dei combustibili fossili hanno avuto un ruolo importante nella ricerca e nello sviluppo di produzione energetica da fonti pulite e sostenibili, quali ad esempio eolico, solare e idroelettrico. Con la crescente penetrazione di fonti di energia rinnovabili intermittenti nel mercato elettrico, l'esigenza di immagazzinare energia prodotta diventa più rilevante. L'idrogeno è riconosciuto come un “energy carrier”, ovvero un vettore energetico, generabile in modo pulito e sostenibile via idrolisi. L'elettrolisi via PEM è una tecnologia che si sta sviluppando rapidamente, già a maturità commerciale. Essa consiste nell'utilizzare un dispositivo basato su una membrana costituita da polimeri solidi per separare acqua pura in idrogeno ed ossigeno. Un modello zero-dimensionale multi-layer è stato sviluppato per rappresentare le prestazioni di uno stack PEMEC in Aspen Custom Modeler. Il modello considera il trasporto di massa di acqua, idrogeno e ossigeno, la resistenza elettro-osmotica, la diffusione e la permeabilità della membrana. Un'altra caratteristica del modello è l'inclusione di un bilancio energetico tempo-variante a parametri concentrati, allo scopo di considerare l'inerzia dinamica del sistema quando l'energia elettrica in ingresso varia o presenta oscillazioni. Dopo un'estesa revisione bibliografica, sono state identificate le principali assunzioni e i parametri del modello. Il modello è stato calibrato e validato usando una serie di dati sperimentali ottenuti dal lavoro dei ricercatori del Politecnico di Milano. I dati sperimentali sono stati analizzati e processati in base alle variazioni giornaliere del profilo dell'energia elettrica in ingresso, usando Matlab come software di analisi, e questi valori sono poi stati usati per la calibrazione del modello. Il modello è stato calibrato e validato tenendo in considerazione i più importanti parametri che influenzano le prestazioni dello stack in condizioni di funzionamento stazionarie. Un'analisi di sensitività è stata sviluppata per ogni parametro del modello e sono stati ottenuti intervalli di valori appropriati da utilizzare nel fitting dei dati sperimentali. In particolare, i parametri analizzati sono la exchange current e i coefficienti di trasferimento sia per l'anodo che per il catodo, lo spessore della membrana e la resistività degli elettrodi all’anodo e al catodo. I risultati della calibrazione sono stati confrontati in termini di medie assolute relative (MARD), da cui è stata ottenuta la migliore soluzione. Il modello è stato validato tenendo in considerazione diversi set di dati, sia con lo stack che lavora a carico elettrico massimo, sia a carico variabile. Il risultato della validazione del modello mostra che il modello è in grado di rappresentare i dati sperimentali in maniera precisa. Un modello dinamico preliminare dell’intero sistema di elettrolisi è stato sviluppato in Aspen Plus Dynamic per studiare le prestazioni dello stack al variare dell'energia elettrica in ingresso, tenendo in considerazione gli elementi base utilizzati nei sistemi di elettrolisi:: uno scambiatore di calore, un separatore acqua/ossigeno, un separatore acqua/idrogeno, una pompa e due miscelatori. I dati sui flussi in ingresso e in uscita e i dati sulle variazioni di temperatura e di pressione su tutti i componenti del sistema non erano disponibili, quindi l’analisi delle prestazioni dinamiche si è concentrata sullo stack e sullo scambiatore di calore che regola la temperatura del flusso in ingresso all'anodo. La capacità termica dello stack è stata stimata sulla base delle caratteristiche geometriche e di idonee ipotesi circa i materiali. Non sono state effettuate calibrazioni in tal senso in quanto non vi era disponibile alcun dato utile. È stato effettuato un confronto tra i dati sperimentali e quelli simulati in termini di densità di corrente e temperatura. Il modello è stato in grado di predire con buona approssimazione entrambi i valori in due diversi profili campione di dati sperimentali. Infine, è stata confrontata la produzione di idrogeno tra i dati sperimentali e quelli simulati. La produzione di idrogeno risulta sovrastimata dal modello e risulta variabile nel tempo, mentre i dati sperimentali mostrano una produzione di idrogeno stazionaria. La differenza risiede principalmente nelle colonne di purificazione dell’idrogeno, che non sono state incluse in questo modello dinamico preliminare.