Improvement of PEMFC test rig via consumer-electronics control system and behavior with H2-CH4 blend

The energy sector, a major consumer of fossil fuels and CO2 emitter, is transitioning towards more environmentally sustainable sources. This requires solutions for energy management and storage and hydrogen is a promising energy carrier for seasonal storage. Additionally, technologies capable of operating with hydrogen and methane blends are interesting for ways hydrogen is produced or transported. In this context, this thesis study the use of hydrogen-methane blends with Proton Exchange Membrane Fuel Cells, analyzed experimentally on a 1 kW stack from PowerCell. An acquisition system based on consumer electronics was developed in-house - from the conception to the validation and use - to perform Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements. This system is based on an Arduino Mega board that controls an external circuit made of an operational amplifier, an analog-to-digital converter, and a buffer memory. The external circuit is required to exceed Arduino capabilities and reach the required 100 kHz sampling frequency. The external circuit is modular and can be repeated with synchronized modules to measure multiple cells. Each module can also be configured to measure groups of cells or the entire stack. The module was tested using a function generator and an oscilloscope, resulting in a <3% error on amplitude and <0.3% error on frequency ranging between 10 mV and 500 mV and between 100 Hz and 10 kHz. Furthermore, the circuit was tested against a commercial device used to conduct EIS measurements. The results show that the obtained impedance values generally differ by less than 3% in the range of interest, with few specific frequencies reaching 10% deviation due to external disturbances. Injecting 10% of methane into the fuel cell feed caused a temporary loss in performances, recoverable by returning to pure H2 feeding. This indicates that methane does not damage the fuel cell but reduces the power output due to fuel dilution.

Il settore energetico, grande consumatore di combustibili fossili ed emettitore di CO2, sta passando a fonti a maggior sostenibilità ambientale. Ciò richiede soluzioni di accumulo energetico e l’idrogeno è un vettore energetico promettente per lo stoccaggio stagionale. I modi in cui viene prodotto o trasportato rendono inoltre interessanti le tecnologie in grado di operare con miscele di idrogeno e metano. In questo contesto, questa tesi studia l’uso di miscele di idrogeno e metano con celle a combustibile a membrana a scambio protonico, tramite una pila da 1 kW di PowerCell. Durante il progetto, è stato sviluppato - dalla concezione alla validazione ed uso - un sistema di acquisizione basato su materiale elettronico di consumo. Il suo scopo è effettuare misure di Spettroscopia di Impedenza Elettrochimica (EIS) e si basa su un Arduino Mega il quale controlla un circuito esterno composto da un amplificatore operazionale, un convertitore analogico-digitale e una memoria tampone. Il circuito esterno è necessario per superare le capacità di Arduino e raggiungere la frequenza di campionamento richiesta di 100 kHz. Il circuito è modulare e può essere ripetuto con moduli sincronizzati per misurare più celle. Ogni modulo può anche essere configurato per misurare gruppi di celle oppure l’intera pila. Il modulo è stato testato tramite un generatore di funzioni e un oscilloscopio, ottenendo un errore inferiore al 3% sull’ampiezza e allo 0,3% sulla frequenza nell’intervallo tra 10 mV e 500 mV e tra 100 Hz e 10 kHz. Inoltre, il modulo è stato comparato con un dispositivo commerciale utilizzato per misurazioni EIS. I risultati mostrano che i valori d’impedenza ottenuti differiscono generalmente di meno del 3% nell’intervallo di interesse, con poche specifiche frequenze che raggiungono una deviazione del 10% a causa di disturbi esterni. L’aggiunta del 10% di metano nell’alimentazione della cella a combustibile ha causato una perdita temporanea delle prestazioni, recuperata tornando all’alimentazione in puro H2. Questo indica che il metano non danneggia la cella a combustibile ma ne riduce la potenza a causa della diluizione del combustibile. Durante il progetto, è stato sviluppato - dalla concezione alla validazione ed uso - un sistema di acquisizione basato su materiale elettronico di consumo. Il suo scopo è effettuare misure di Spettroscopia di Impedenza Elettrochimica (EIS) e si basa su un Arduino Mega il quale controlla un circuito esterno composto da un amplificatore operazionale, un convertitore analogico-digitale e una memoria tampone. Il circuito esterno è necessario per superare le capacità di Arduino e raggiungere la frequenza di campionamento richiesta di 100 kHz. Il circuito è modulare e può essere ripetuto con moduli sincronizzati per misurare più celle. Ogni modulo può anche essere configurato per misurare gruppi di celle oppure l'intera pila. Il modulo è stato testato tramite un generatore di funzioni e un oscilloscopio, ottenendo un errore inferiore al 3% sull'ampiezza e allo 0,3% sulla frequenza nell'intervallo tra 10 mV e 500 mV e tra 100 Hz e 10 kHz. Inoltre, il modulo è stato comparato con un dispositivo commerciale utilizzato per misurazioni EIS. I risultati mostrano che i valori d'impedenza ottenuti differiscono generalmente di meno del 3% nell'intervallo di interesse, con poche specifiche frequenze che raggiungono una deviazione del 10% a causa di disturbi esterni. L'aggiunta del 10% di metano nell'alimentazione della cella a combustibile ha causato una perdita temporanea delle prestazioni, recuperata tornando all'alimentazione in puro H2. Questo indica che il metano non danneggia la cella a combustibile ma ne riduce la potenza a causa della diluizione del combustibile.