PEM fuel cell test bench experimental setup

Since as early as the 1970s and increasingly in recent years, hydrogen energy systems have been proposed as a solution for two interconnected global problems: fossil fuel depletion and environmental impact. Hydrogen can be converted into electricity in fuel cells or in combustion-based plants with high conversion efficiencies and with very good part-load performance compared to internal combustion engines or conventional thermal power plants. Moreover, electrochemical conversion devices are strongly modular. This thesis work concerns the design and construction of a test bench capable of experimentallyinvestigating the performances of different proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) stacks at various operating conditions. The bench is placed at the Laboratory of Energy Conversion and Storage (LabX) at the Department of Energy of Politecnico di Milano. The activity includes the design and realization of the various subsystems, which consist in the structure, the fuel and air supply, the air humidification system, the electrical system, the cooling and heating circuits, the data acquisition and control system. All these sub-systems have been conceived to be integrated with future improvements and modifications, such as the introduction of hydrogen recirculation or the supply of hydrogen-methane mixtures as fuel. Great importance is given to the design and sizing of the humidification system, which relies in the bubble humidifier technology. It is properly sized via a modeling that combines bubble motion characterization with heat and mass transfer analysis between gas and liquid phase. In order to develop an inexpensive and flexible solution for data acquisition and control, an Arduino-based electronic circuit is developed. In contrast to typical National Instrument equipment, this requires a careful calibration and the conversion of all sensors’ signals into voltage values readable by the Arduino board.

A partire dagli anni ’70 ed in continua crescita negli ultimi anni, i sistemi a idrogeno sono stati proposti come soluzione per due problemi globali interconnessi: l’esaurimento dei combustibili fossili ed il loro impatto ambientale. L’idrogeno può essere convertito in elettricità in celle a combustibile o in impianti a combustione con alti rendimenti di conversione e con ottime prestazioni a carico parziale rispetto ai motori a combustione interna o alle centrali termiche convenzionali. Inoltre, i dispositivi di conversione elettrochimica sono modulari. Questo lavoro di tesi riguarda la progettazione e la costruzione di un banco di prova che permetta di indagare sperimentalmente le prestazioni di diversi stack di celle a combustibile (PEMFC) in varie condizioni operative. Il banco prova è collocato presso il Laboratorio di Energy conversion and storage (LabX) del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. L’attività comprende la progettazione e la realizzazione dei vari sottosistemi, ovvero la struttura, il circuito di alimentazione dei gas, il sistema di umidificazione dell’aria, i circuiti di raffreddamento e riscaldamento, l’impianto elettrico, il sistema di acquisizione dati ed il sistema di controllo. Tutti questi sottosistemi sono stati concepiti per essere integrati con miglioramenti e modifiche future, come ad esempio l’introduzione del ricircolo dell’idrogeno o l’utilizzo di miscele idrogeno-metano come combustibile. Grande importanza è stata data alla progettazione e al dimensionamento del sistema di umidificazione, che si basa sulla tecnologia di umidificazione a bolle. Questo sistema è stato correttamente dimensionato combinando la caratterizzazione del movimento delle bolle d’aria ad un’analisi di scambio termico e di massa tra la fase gassosa e quella liquida. Per quanto riguarda il sistema di acquisizione dati e il sistema di controllo, al fine di sviluppare una soluzione economica e flessibile, è stato sviluppato un circuito elettronico basato su Arduino. A differenza dei dispositivi National Instrument solitamente utilizzati in laboratorio, l’utilizzo di Arduino richiede un’attenta calibrazione e la conversione di tutti i segnali dei sensori in valori di tensione leggibili da Arduino.