Oxygen reduction reaction kinetics on a Pt thin layer electrode in AEMFC

The study of the catalytic activity in a fuel cell is challenging, as mass transport, gas crossover and the counter electrode are generally interfering. In this study, a Pt electrode consisting of a thin film deposited on the gas diffusion layer was employed to study the oxygen reduction reaction (ORR) in an operating Anion Exchange Membrane Fuel Cell (AEMFC). The 2D Pt electrode was assembled together with a conventional porous Pt/C counter electrode and an extra Pt/C layer and membrane to reduce the H2 crossover. Polarization curves at different O2 partial pressures were recorded and the resulting reproducible ORR activities were normalized with respect to the active surface area (ECSA), obtained by CO stripping. As expected, decreasing the O2 partial pressure results in a negative shift in open circuit voltage (OCV), cell voltage and maximum attainable current density. For cell voltages above 0.8 V a fairly constant Tafel slope of 60 mV dec−1 was recorded but at lower voltages the slope increases rapidly. The observed Tafel slope can be explained by a theoretical model with an associative mechanism where charge- and proton-transfer steps are decoupled, and the proton transfer is the rate-determining step. A reaction order of 1 with respect to O2 was obtained at 0.65 V which corresponds well with the mechanism suggested above. Based on the obtained catalyst activities, the electrode performance is comparable to good porous electrodes found in the field. The methodology presented in this study is expected to be useful in future kinetic studies of other catalysts for AEMFC

Undersökning av ureaförångning i en kontrollerad miljö med infraröd termografi

As the emission legislation becomes more stringent, higher demands are put on the aftertreatment system in trucks. For dealing with nitrous oxides, AdBlue® (urea–water solution) is injected into the exhausts which evaporates and reduces nitrous oxides to nitrogen. At low exhaust temperatures, it is more difficult to evaporate the injected AdBlue® as the exhausts contain less energy. The injected solution may instead form a wall film. In this wall film, side reactions can occur which leads to the formation of deposits. This thesis aims at understanding how and when wall films and deposits are formed. To achieve this, a test rig that allowed visual and infrared observations of the process and variation of governing properties was designed and built. The results show that thicker plates can sustain higher dosages than thinner plates since the temperature drop and film area are smaller for the thicker plate. It was also observed that at plate temperatures >340 °C, the water in the impacting spray evaporated, leaving a urea dust in the gas phase. It is also clear that deposits form faster at higher gas temperatures (> 350 °C) compared to at lower temperatures (200–250 °C). The deposits form at the edge of the wall film in a region with a temperature higher than in the middle of the wall film. At lower temperatures, a wall film that spreads out over a very large area is formed and after a longer time period, deposits form at obstacles and at the wall film edge. Experiments for 2 h at lower temperatures left approximately the same amount of deposits as experiments for 30 min at higher temperatures.  När lagkraven blir strängare sätts högre krav på efterbehandlingssystemet i lastbilar. För att få bort nitrösa gaser injiceras AdBlue® (urea–vattenlösning) in i avgaserna vilken förångas och reducerar de nitrösa gaserna till ofarligt kväve. Vid låga avgastemperaturer är det svårare att förånga den injicerade AdBlue®–lösningen då avgaserna innehåller mindre energi. Den injicerade lösningen kan istället bilda en väggfilm. I denna väggfilm kan sidoreaktioner ske vilket leder till bildning av utfällningar. Detta examensarbete syftar till att öka förståelsen för hur och när väggfilmer och utfällningar bildas. För att uppnå detta designades och byggdes en testrigg i vilken visuella och infraröda observationer kan göras och influerande parametrar varieras. Resultaten visar att tjockare plåtar kan utstå högre doseringar jämfört med tunnare plåtar, eftersom lägre temperaturminskning och film area uppmätts för den tjockare plåten. Det sågs också att vid plåttemperaturer >340 °C så förångades vattnet i AdBlue®-lösningen först och efterlämnade ett ureadamm i gasfasen. Det konstaterades också att utfällningar bildas snabbare vid högre gastemperaturer (> 350 °C) jämfört med vid lägre temperaturer (200–250 °C). Utfällningarna bildas vid kanten av väggfilmen i en region som har en temperatur som är högre än den i mitten av väggfilmen. Vid lägre temperaturer bildas en väggfilm som sprider ut sig över en stor area och med tiden bildas utfällningar vid hinder och vid filmkanten. Experiment under 2 h vid låg gastemperatur gav jämförbara mängder utfällningar som experiment under 30 min vid högre temperatur

Limiting processes in anion-exchange membrane fuel cells

Fuel cells allow for converting chemical energy stored in hydrogen into electrical energy, with only heat and water as by-products. In a sustainable energy society, hydrogen may play an important role due to its ability to act both as an energy carrier and as a valuable chemical in the process industry. The main remaining obstacles for widely available commercial fuel cells are durability and cost. One way to potentially decrease the cost is to change the fuel cell environment to an alternative chemistry by replacing the proton-exchange membrane (PEM) with an anion-exchange membrane (AEM). This thesis studies the anode reaction, the cathode reaction and water transport in an anion-exchange membrane fuel cell (AEMFC), to investigate where its performance limitations lies in the system. Electrochemical characterisation techniques together with physics-based modelling have been utilised. The results from the study of the anode, shows that the hydrogen reaction proceeds through the Tafel-Volmer pathway, with the Tafel step starting to limit the reaction as the anode overpotential increases. Combining the anode model with a Butler-Volmer expression for the cathode reaction made it possible to model a H2:O2 fuel cell. Comparing the losses from the different processes in the fuel cell shows that the cathode is still the main contributor, but that the anode contribution cannot be neglected when predicting the fuel cell performance. Low ionic conductivity in the electrode was also identified as responsible for part of the overall resistances, leading to uneven current distribution in the catalyst layers and bad utilisation of the catalytic material. Investigating the water transport properties of AEMs showed that not only electroosmotic drag and diffusion, but also an absorption/desorption step between gas phase and membrane phase, are necessary to get a model that can explain the experimental observations. The choice of gas diffusion layers (GDLs) used on the anode and cathode was found to be of similar importance on the water transport as doubling the membrane thickness, showing that not only the membrane is important for water transport. Under most realistic conditions, the risk of local dry-out in a cell was found to be low, as water readily diffuses from the high humidity side of the membrane to the low humidity side.Bränsleceller gör det möjligt att konvertera kemisk energi lagrad i vätgas till elektrisk energi, med endast värme och vatten som biprodukter. I ett hållbart energisamhälle kan vätgas spela en viktig roll tack vare sin förmåga att agera både som energibärare och som en värdefull kemikalie i industrin. De sista hindren innan bränsleceller kan bli brett tillgängliga kommersiellt är deras livslängd och kostnad. Ett sätt att minimera kostnaden är att byta till en annan bränslecellskemi, genom att ersätta det protonledande membranet med ett anjonledande membran. Denna avhandling syftar till att undersöka begränsningar i anjonledande membranbränsleceller som hämmar utvecklingen och kommersialiseringen av dessa bränsleceller. Fokus i deolika delstudierna har varit på anoden, katoden, och vattentransporten i det anjonledande membranet. Resultaten från undersökning av vätgaselektroden visade att reaktionen följer en Tafel-Volmer mekanism, i vilken Tafelsteget börjar begränsa hastigheten när överpotentialen på anoden ökar. Genom att kombinera anodmodellen med ett Butler-Volmer-uttryck för katodreaktionen så var det möjligt att modellera en H2:O2 bränslecell. Från en jämförelse av förlusterna från de olika processerna i bränslecellen kan vi dra slutsatsen att katoden fortfarande dominerar, men att hänsyn också måste tas till anodförlusterna om bränslecellens prestanda ska förutsägas. Låg jonledningsförmåga i elektroderna identifierades också som orsak för en del av förlusterna, vilket leder till ojämn strömfördelning i katalysatorskikten och begränsad utnyttjandegrad av katalysatormaterialet. Undersökningar av vattentransportegenskaperna av anjonledande membran visade att inte bara elektroosmotisk diffusionsmotstånd och diffusion, utan också ett absorption-desorptions-steg mellan gasfasen och membranfasen bör inkluderas för att få en rimlig modell av vattentransporten. Att välja en lämplig kombination med avseende på hydrofobicitet av gasdiffusionsskikt visade sig vara lika avgörande som att dubbla membrantjockleken, vilket visar att inte bara permeabiliteten i membranet spelar roll för vattentransporten. Under de flesta realistiska förhållandena är risken för lokal uttorkning av elektroderna liten, tack vare att vatten snabbt kan diffundera från sidan med hög fuktighet till sidan med låg fuktighet.QC 2022-11-21</p

Limiting processes in anion-exchange membrane fuel cells

Fuel cells allow for converting chemical energy stored in hydrogen into electrical energy, with only heat and water as by-products. In a sustainable energy society, hydrogen may play an important role due to its ability to act both as an energy carrier and as a valuable chemical in the process industry. The main remaining obstacles for widely available commercial fuel cells are durability and cost. One way to potentially decrease the cost is to change the fuel cell environment to an alternative chemistry by replacing the proton-exchange membrane (PEM) with an anion-exchange membrane (AEM). This thesis studies the anode reaction, the cathode reaction and water transport in an anion-exchange membrane fuel cell (AEMFC), to investigate where its performance limitations lies in the system. Electrochemical characterisation techniques together with physics-based modelling have been utilised. The results from the study of the anode, shows that the hydrogen reaction proceeds through the Tafel-Volmer pathway, with the Tafel step starting to limit the reaction as the anode overpotential increases. Combining the anode model with a Butler-Volmer expression for the cathode reaction made it possible to model a H2:O2 fuel cell. Comparing the losses from the different processes in the fuel cell shows that the cathode is still the main contributor, but that the anode contribution cannot be neglected when predicting the fuel cell performance. Low ionic conductivity in the electrode was also identified as responsible for part of the overall resistances, leading to uneven current distribution in the catalyst layers and bad utilisation of the catalytic material. Investigating the water transport properties of AEMs showed that not only electroosmotic drag and diffusion, but also an absorption/desorption step between gas phase and membrane phase, are necessary to get a model that can explain the experimental observations. The choice of gas diffusion layers (GDLs) used on the anode and cathode was found to be of similar importance on the water transport as doubling the membrane thickness, showing that not only the membrane is important for water transport. Under most realistic conditions, the risk of local dry-out in a cell was found to be low, as water readily diffuses from the high humidity side of the membrane to the low humidity side.Bränsleceller gör det möjligt att konvertera kemisk energi lagrad i vätgas till elektrisk energi, med endast värme och vatten som biprodukter. I ett hållbart energisamhälle kan vätgas spela en viktig roll tack vare sin förmåga att agera både som energibärare och som en värdefull kemikalie i industrin. De sista hindren innan bränsleceller kan bli brett tillgängliga kommersiellt är deras livslängd och kostnad. Ett sätt att minimera kostnaden är att byta till en annan bränslecellskemi, genom att ersätta det protonledande membranet med ett anjonledande membran. Denna avhandling syftar till att undersöka begränsningar i anjonledande membranbränsleceller som hämmar utvecklingen och kommersialiseringen av dessa bränsleceller. Fokus i deolika delstudierna har varit på anoden, katoden, och vattentransporten i det anjonledande membranet. Resultaten från undersökning av vätgaselektroden visade att reaktionen följer en Tafel-Volmer mekanism, i vilken Tafelsteget börjar begränsa hastigheten när överpotentialen på anoden ökar. Genom att kombinera anodmodellen med ett Butler-Volmer-uttryck för katodreaktionen så var det möjligt att modellera en H2:O2 bränslecell. Från en jämförelse av förlusterna från de olika processerna i bränslecellen kan vi dra slutsatsen att katoden fortfarande dominerar, men att hänsyn också måste tas till anodförlusterna om bränslecellens prestanda ska förutsägas. Låg jonledningsförmåga i elektroderna identifierades också som orsak för en del av förlusterna, vilket leder till ojämn strömfördelning i katalysatorskikten och begränsad utnyttjandegrad av katalysatormaterialet. Undersökningar av vattentransportegenskaperna av anjonledande membran visade att inte bara elektroosmotisk diffusionsmotstånd och diffusion, utan också ett absorption-desorptions-steg mellan gasfasen och membranfasen bör inkluderas för att få en rimlig modell av vattentransporten. Att välja en lämplig kombination med avseende på hydrofobicitet av gasdiffusionsskikt visade sig vara lika avgörande som att dubbla membrantjockleken, vilket visar att inte bara permeabiliteten i membranet spelar roll för vattentransporten. Under de flesta realistiska förhållandena är risken för lokal uttorkning av elektroderna liten, tack vare att vatten snabbt kan diffundera från sidan med hög fuktighet till sidan med låg fuktighet.QC 2022-11-21</p

Undersökning av ureaförångning i en kontrollerad miljö med infraröd termografi

As the emission legislation becomes more stringent, higher demands are put on the aftertreatment system in trucks. For dealing with nitrous oxides, AdBlue® (urea–water solution) is injected into the exhausts which evaporates and reduces nitrous oxides to nitrogen. At low exhaust temperatures, it is more difficult to evaporate the injected AdBlue® as the exhausts contain less energy. The injected solution may instead form a wall film. In this wall film, side reactions can occur which leads to the formation of deposits. This thesis aims at understanding how and when wall films and deposits are formed. To achieve this, a test rig that allowed visual and infrared observations of the process and variation of governing properties was designed and built. The results show that thicker plates can sustain higher dosages than thinner plates since the temperature drop and film area are smaller for the thicker plate. It was also observed that at plate temperatures &gt;340 °C, the water in the impacting spray evaporated, leaving a urea dust in the gas phase. It is also clear that deposits form faster at higher gas temperatures (&gt; 350 °C) compared to at lower temperatures (200–250 °C). The deposits form at the edge of the wall film in a region with a temperature higher than in the middle of the wall film. At lower temperatures, a wall film that spreads out over a very large area is formed and after a longer time period, deposits form at obstacles and at the wall film edge. Experiments for 2 h at lower temperatures left approximately the same amount of deposits as experiments for 30 min at higher temperatures.  När lagkraven blir strängare sätts högre krav på efterbehandlingssystemet i lastbilar. För att få bort nitrösa gaser injiceras AdBlue® (urea–vattenlösning) in i avgaserna vilken förångas och reducerar de nitrösa gaserna till ofarligt kväve. Vid låga avgastemperaturer är det svårare att förånga den injicerade AdBlue®–lösningen då avgaserna innehåller mindre energi. Den injicerade lösningen kan istället bilda en väggfilm. I denna väggfilm kan sidoreaktioner ske vilket leder till bildning av utfällningar. Detta examensarbete syftar till att öka förståelsen för hur och när väggfilmer och utfällningar bildas. För att uppnå detta designades och byggdes en testrigg i vilken visuella och infraröda observationer kan göras och influerande parametrar varieras. Resultaten visar att tjockare plåtar kan utstå högre doseringar jämfört med tunnare plåtar, eftersom lägre temperaturminskning och film area uppmätts för den tjockare plåten. Det sågs också att vid plåttemperaturer &gt;340 °C så förångades vattnet i AdBlue®-lösningen först och efterlämnade ett ureadamm i gasfasen. Det konstaterades också att utfällningar bildas snabbare vid högre gastemperaturer (&gt; 350 °C) jämfört med vid lägre temperaturer (200–250 °C). Utfällningarna bildas vid kanten av väggfilmen i en region som har en temperatur som är högre än den i mitten av väggfilmen. Vid lägre temperaturer bildas en väggfilm som sprider ut sig över en stor area och med tiden bildas utfällningar vid hinder och vid filmkanten. Experiment under 2 h vid låg gastemperatur gav jämförbara mängder utfällningar som experiment under 30 min vid högre temperatur

Conceptual Design of a Hybrid Hydrogen Fuel Cell/Battery Blended-Wing-Body Unmanned Aerial Vehicle—An Overview

The manuscript presents the conceptual design phase of an unmanned aerial vehicle, with the objective of a systems approach towards the integration of a hydrogen fuel-cell system and Li-ion batteries into an aerodynamically efficient platform representative of future aircraft configurations. Using a classical approach to aircraft design and a combination of low- and high-resolution computational simulations, a final blended wing body UAV was designed with a maximum take-off weight of 25 kg and 4 m wingspan. Preliminary aerodynamic and propulsion sizing demonstrated that the aircraft is capable of completing a 2 h long mission powered by a 650 W fuel cell, hybridized with a 100 Wh battery pack, and with a fuel quantity of 80 g of compressed hydrogen