Design of a segmented fuel cell model for the ESDLab

Abstract

This thesis is focused on the improvement of a segmented fuel cell (SFC) for the ESDLab of the University of Alberta, which had three design and operation problems. To reach the desired design, two versions of the SFC were developed. The first design (NewSFCV1) solved two of the three main problems identified in the original version of the SFC, which were the position of manifolds inside the channels, holes in two of the four current collectors, and not a good seal between copper and graphite plates. By changing the size and relocating the manifolds and copper plate´s holes, consequences like current drop, and disturbance on reactants transport were avoided. This NewSFCV1 has endplates of 120 mm long, 100 mm wide, and 12.7 mm thick. The anode and cathode plates have 90 mm long, 70 mm wide and 9.50 mm thick. Therefore, to solve the sealing problem, a second design called NewSFCV2 was developed. This design addressed the first two problems in the same way as in the NewSFCV1 and solved the sealing problem by reducing the size of the contact area between the copper plates and the graphite pieces. These components were joined through an O-ring inside the anode plate. The size of this design increased in comparison with the previous one, with endplates of 140 mm long, 90 mm wide, and 12.7 mm thick, and with anode and cathode plates 104 mm long, 70 mm wide, and 9.5 mm thick. On the other hand, the contact area was reduced from 450 mm2 of the NewSFCV1 to 24.3 mm2 , which meant a reduction of ohmic losses. The design was modeled using COMSOL and it proved that along the cell there are different local currents and that the sum of these on the GDL side are approximately the cell´s average current density. Regarding the sensor’s calibration, the results showed that the average error was ±0.125 A, which is within the accuracy range of ± 0.15 A given by the manufacturer.

Esta tesis se enfoca en la mejora de una pila de combustible segmentada (SFC) para el ESDLab de la Universidad de Alberta, la cual presentaba tres problemas de diseño y funcionamiento. Para alcanzar el diseño deseado, se desarrollaron dos versiones del SFC. El primer diseño (NewSFCV1) resolvió dos de los tres principales problemas identificados en la versión original del SFC, los cuales eran la ubicación de los colectores dentro de los canales, agujeros en dos de los cuatro colectores de corriente y un deficiente sellado entre las placas de cobre y grafito. Al cambiar el tamaño de la pila, reubicar los colectores y los orificios de las placas de cobre, se logró prever consecuencias como la caída de corriente y el disturbio en el transporte de reactivos. Este NewSFCV1 tiene placas terminales de 120 mm de largo, 100 mm de ancho y 12,7 mm de espesor. Las placas de ánodo y cátodo tienen 90 mm de largo, 70 mm de ancho y 9,50 mm de espesor. Para resolver el problema del sellado, se desarrolló un segundo diseño llamado NewSFCV2. Este diseño abordó los dos primeros problemas de la misma manera que en el NewSFCV1 y resolvió el problema de sellado al reducir el tamaño del área de contacto entre las placas de cobre y las piezas de grafito. Estos componentes se unieron a través de una junta tórica dentro de la placa del ánodo. Este diseño tiene un mayor tamaño que la versión 1, con placas terminales de 140 mm de largo, 90 mm de ancho y 12,7 mm de espesor y con placas de ánodo y cátodo de 104 mm de largo, 70 mm de ancho y 9,5 mm de espesor. Por otro lado, el área de contacto se redujo de 450 mm2 del NewSFCV1 a 24,3 mm2, lo que significó una reducción de las pérdidas óhmicas. Este diseño se modeló utilizando COMSOL y demostró que a lo largo de la celda existen diferentes corrientes locales y que la suma de estas en el lado GDL es aproximadamente la densidad de corriente promedio de la celda. Respecto a la calibración del sensor, los resultados muestran que el error promedio es de ± 0.125 A, el cual está dentro del rango de precisión de ± 0.15 A dado por el fabricante.