Heat transfer when condensing water from a HT-PEM fuel cell with a methanol reformer: Computational and experimental examination

Abstract

There is a desire to replace fossil fuels with renewable energy sources. Electrification is the solution for many applications. In tractors, the battery is a good solution in some situations, but not all. Long charging time and high charging density or, alternatively, the high mass and volume of the battery cause problems in tractor applications. One possible solution to the problem is a hydrogen fuel cell. In this work, the focus is on high temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC). However, hydrogen is difficult to handle and takes up a lot of space. For these reasons, methanol would be a better choice for fuel. Methanol can also be produced from renewable sources.

In addition to methanol, a nearly equal volume of water is needed to produce hydrogen inside the fuel cell. The fuel cell produces water as an exhaust gas. Condensing water from the exhaust and recycling it would reduce the consumption of fresh water carried in a water tank. This way, an overall tank volume of the same size could operate for longer. On the other hand, the condensation of water consumes energy.

This thesis examines the dimensions of condensation: heat transfer rate and exhaust flow final temperature. The topic is studied both computationally and experimentally as a function of various parameters. The parameters to be studied are the ratio of condensed water to required water, the operating point of the fuel cell, the temperature of the exhaust flow before the heat exchanger, and the fuel cell control parameters. In addition, the possibilities of condensing water from the combined exhaust flow or only from the cathode or burner exhaust flow are compared. In the future, the results and models made in the work can be utilized in the dimensioning of the heat exchanger. In this case, the actual energy consumption and size of the heat exchanger can be determined and the feasibility of the concept can be assessed.

The test and computational results of the combined exhaust can be compared when looking at the amount of condensed water and the operating point of the fuel cell. The models and test results corresponded well to each other for the required final exhaust flow temperature. In terms of heat transfer rate, models and test results matched each other better with high fuel cell power than with low ones. The result was that the exhaust flow must be cooled to about 50 °C if all the water needed for the fuel is to be condensed. Using the fuel cell used in the tests, the heat transfer rate was approximately 1.8 kW with the system running at 3.6 kW net power. Based on the computational results, it is better to condense water from the combined exhaust flow rather than just from the cathode or burner exhaust flow.

Fossiiliset polttoaineet halutaan korvata uusiutuvilla energialähteillä. Sähköistäminen on ratkaisu moniin sovelluksiin. Traktoreissa akku on joissain tilanteissa hyvä ratkaisu, mutta ei kaikissa. Pitkä latausaika ja suuri lataustiheys tai vaihtoehtoisesti akun suuri massa ja tilavuus aiheuttavat ongelmia traktorisovelluksissa. Yksi mahdollinen ratkaisu ongelmaan on vetypolttokenno. Tässä työssä tarkastelun kohteena on HTPEM eli korkean lämpötilan kiinteä polymeerikenno. Vety on kuitenkin hankalaa käsitellä ja vie paljon tilaa. Näistä syistä metanoli olisi parempi vaihtoehto polttoaineeksi. Metanolia voidaan tuottaa myös uusiutuvista lähteistä.

Metanolin lisäksi tarvitaan lähes yhtä suuri tilavuus vettä, jotta polttokennon sisällä voidaan tuottaa vetyä. Polttokennosta syntyy pakokaasuna vettä. Kondensoimalla vettä pakokaasusta voitaisiin vähentää vesitankissa varastoitavan veden määrää. Siten samankokoisella tankkitilavuudella voisi työskennellä kauemmin. Toisaalta veden kondensoiminen kuluttaa energiaa.

Työssä tutkitaan kondensoitumisen dimensioita eli pakokaasusta pois siirrettävän energian määrää ja pakokaasun loppulämpötilaa. Aihetta tutkitaan sekä laskennallisesti että kokeellisesti erilaisten parametrien funktiona. Tutkittavat parametrit ovat kondensoidun veden määrä suhteessa tarvittavaan veteen, polttokennon toimintapiste, pakokaasun lämpötila ennen lämmönvaihdinta ja polttokennon toimintaparametrit. Lisäksi vertaillaan mahdollisuuksia kondensoida vettä koko pakokaasusta tai pelkästään katodin tai polttimen pakokaasusta. Tuloksia ja työssä tehtyjä malleja voidaan käyttää tulevaisuudessa lämmönvaihtimen mitoittamisessa. Silloin päästään käsiksi lämmönvaihtimen todelliseen energiankulutukseen ja kokoon sekä voidaan arvioida kondensoinnin järkevyyttä.

Kokonaispakokaasun kokeellisia ja laskennallisia tuloksia pystyttiin vertailemaan kondensoidun veden määrän ja polttokennon toimintapisteen osalta. Mallit ja testitulokset vastasivat toisiaan hyvin pakokaasun vaaditun loppulämpötilan osalta. Pakokaasusta siirtyvän energian osalta mallit ja testitulokset vastasivat toisiaan paremmin korkeilla polttokennon tehoilla kuin matalilla. Tuloksena saatiin, että pakokaasu tulee viilentää noin 50 °C lämpötilaan, jos kaikki polttoaineeseen tarvittava vesi halutaan kondensoida. Testeissä käytetyllä polttokennolla energiaa täytyi siirtää noin 1.8 kW systeemin toimiessa 3.6 kW nettoteholla. Laskennallisten tulosten perusteella vettä kannattaa kondensoida mieluummin koko pakokaasusta kuin pelkästään katodin tai polttimen pakokaasusta.