Modeling of the effects of major contaminants on proton-exchange membrane fuel cells

Abstract

[ES] Hoy en día, el hidrógeno ha cobrado una importancia creciente en el panorama energético global debido a su potencial como un portador de energía limpio y versátil. A medida que los países buscan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y alejarse de los combustibles fósiles, el hidrógeno ofrece una solución prometedora para el almacenamiento de energía, el transporte a largas distancias y como fuente complementaria de energía junto a la electricidad. En este contexto, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC, por sus siglas en inglés) se destacan como un enfoque prometedor para la generación de energía sostenible, permitiendo la conversión directa de energía química en energía eléctrica mediante una reacción no combustiva entre oxígeno e hidrógeno. Sin embargo, las impurezas presentes en el hidrógeno y en el aire pueden afectar significativamente su eficiencia y vida útil. El objetivo de este proyecto es crear un modelo paramétrico para estudiar la degradación de las PEMFC causada por contaminantes presentes en el hidrógeno y en el aire del entorno rural. Este modelo se centra en desarrollar una herramienta útil que pueda ser empleada para desarrollar funciones de diagnóstico a bordo en tractores de pilas de combustible, con el fin de detectar impurezas en el hidrógeno y activar un apagado seguro. En este contexto, basándose en la literatura existente, se ha desarrollado un modelo para la mayoría de los contaminantes, que consta de dos partes: una parte estacionaria y una parte transitoria. Para la parte estacionaria, se ha creado una ecuación polinómica con MATLAB para estudiar el efecto originado por contaminante. Esta función toma como entradas la concentración de la impureza y la densidad de corriente, y proporciona como salida el porcentaje de caída de voltaje en comparación con el voltaje en circuito abierto. Para la parte transitoria, se ha utilizado el modelado de caja negra, con el fin de desarrollar una función de transferencia que describe la relación entre la entrada y la salida de un sistema lineal invariante en el tiempo. Finalmente, estas dos partes se han combinado para simular la caída de voltaje causada por una concentración específica de contaminante. En comparación con la literatura existente sobre este tema, el modelo desarrollado para NH3 y CO ha mostrado resultados prometedores en la estimación de la caída de voltaje.

[EN] Nowadays, hydrogen has become increasingly important in the global energy landscape due to its potential as a clean and versatile energy carrier. As countries seek to reduce greenhouse gas emissions and transition away from fossil fuels, hydrogen offers a promising solution for energy storage, long-distance transport, and as a complementary energy source to electricity. In this context, Proton-Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) stand out as a promising approach for sustainable energy generation, enabling the direct conversion of chemical energy into electrical energy through a non- combustive reaction between oxygen and hydrogen. However, impurities present in the hydrogen fuel and air can significantly affect their efficiency and lifetime. The aim of this project is to create a parametric model to study the degradation of PEMFCs caused by contaminants present in hydrogen and in the air of the rural environment. This model is focused on developing a useful tool that can be used to develop on-board diagnostics functions for fuel cell tractors to detect hydrogen impurities and trigger a safe shut-down. In this context, using the existing literature, a model has been developed for most of the contaminants, consisting of two parts: a stationary part and a transient part. For the stationary part, a polynomial equation has been created with MATLAB to study the effect of each contaminant. This function takes the concentration of the impurity and the current density as inputs and outputs the voltage drop percentage compared to the open circuit voltage. For the transient part, black-box modelling has been used to develop a transfer function that describes the relationship between the input and output of a linear time- invariant system. Finally, these two parts have been combined to simulate the voltage drop caused by a specific contaminant concentration. Compared to the existing literature about this topic, the model developed for NH3 and CO has shown promising results in estimating the voltage drop.