Impact of the current density distribution on efficiency and power output in a PEMFC

Due to the growing concerns on the depletion of petroleum-based energy resources and climate change, fuel cell technologies have received much attention in recent years owing to their high efficiencies and low emissions. These systems are employed for transportation, portable uses and stationary installations. The Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN), in this regard, make available a system of Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEMFC) for experimental purpose. The system comprises of a stack of 12 PEMFCs, each one fed by 2 inlet and 2 outlet tubes for changing the flow, due to 4 electro-magnetic pneumatic valves, depending on the experiments. The configurations used are concerning parallel and countercurrent flows in the single cell and between the different cells. The analysis on the single cell is made for evaluating the behavior of the cell and thus the best configuration to improve stability of the current distribution and the power output; the changing of configurations also between two neighboring cells is a further evaluation, aimed at the stability of the current through the collectors. This last evaluation has the goal to minimize the gradient of the current produced from one and the other part of the collectors that normally take place with the same configurations in/out of the cells. The system faced couple of issues during the experiments, which include water management and stability of a so complicated system. The improving of the current density distribution and the power output has been shown experimentally switching gas flow directions during operation and measuring the current distribution using S++ current measuring plates (16 x 8 segments). This improvement of the performance, changing the current homogeneity, has been made just changing the layout of gas inlets and outlets, exploiting the concentration of the reactants and the humidity. The results shown that there is a connection between the homogeneity of the current distribution and the power output, higher the power, higher the homogeneity. It has been demonstrated that a counter-current flow leads to a better performance and efficiency than the parallel one and that the alternation od the configuration can play a crucial role for reaching the desired homogeneity.

A causa delle crescenti preoccupazioni per l'esaurimento delle risorse energetiche basate sul petrolio e i cambiamenti climatici, le tecnologie delle celle a combustibile hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni a causa della loro elevata efficienza e delle basse emissioni. Questi sistemi sono impiegati per il trasporto, usi portatili e impianti fissi. L'Energie-Forschungszentrum Niedersachsen, a questo proposito, mette a disposizione un sistema di Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEMFC) per scopi sperimentali. Il sistema comprende una pila di 12 PEMFC, ciascuno alimentato da 2 tubi di ingresso e 2 tubi di uscita per cambiare il flusso, a causa di 4 valvole pneumatiche elettromagnetiche, a seconda degli esperimenti. Le configurazioni utilizzate riguardano i flussi paralleli e controcorrenti nella singola cella e tra le diverse celle. L'analisi sulla singola cella viene effettuata per valutare il comportamento della cella e quindi la migliore configurazione per migliorare la stabilità della distribuzione corrente e dell'uscita di potenza; il cambio di configurazioni anche tra due celle vicine è un'ulteriore valutazione, finalizzata alla stabilità della corrente attraverso i collettori. Quest'ultima valutazione ha l'obiettivo di ridurre al minimo il gradiente della corrente prodotto da una e dall'altra parte dei collettori che normalmente avvengono con le stesse configurazioni in/out delle celle. Il sistema ha affrontato un paio di problemi durante gli esperimenti, che includono la gestione dell'acqua e la stabilità di un sistema così complicato. Il miglioramento dell'attuale distribuzione della densità e della potenza è stato dimostrato che la commutazione sperimentale delle direzioni del flusso di gas durante il funzionamento e la misurazione della distribuzione corrente utilizzando le lastre di misura correnti (16 x 8 segmenti) di S . Questo miglioramento delle prestazioni, cambiando l'attuale omogeneità, è stato fatto solo cambiando la disposizione delle prese di gas e delle prese, sfruttando la concentrazione dei reattori e l'umidità. I risultati hanno mostrato che esiste una connessione tra l'omogeneità della distribuzione corrente e la potenza in uscita, maggiore è la potenza, maggiore è l'omogeneità. È stato dimostrato che un flusso controcorrente porta a una migliore prestazione ed efficienza rispetto a quella parallela e che l'alternanza della configurazione può svolgere un ruolo cruciale per raggiungere l'omogeneità desiderata.