Hydrogen fuel cells, and notably the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), present an important opportunity to reduce greenhouse gas emissions within a range of sectors of society, particularly for transportation and portable products. Despite several decades of research and development, there exist three main hurdles to full commercialisation; namely infrastructure, costs, and durability. This thesis considers the latter of these. The lifetime target for an automotive fuel cell power plant is to survive 5000 hours of usage before significant performance loss; current demonstration projects have only accomplished half of this target, often due to PEFC stack component degradation. Health management techniques have been identified as an opportunity to overcome the durability limitations. By monitoring the PEFC for faulty operation, it is hoped that control actions can be made to restore or maintain performance, and achieve the desired lifetime durability. This thesis presents fault detection and diagnosis approaches with the goal of isolating a range of component degradation modes from within the PEFC construction. Fault detection is achieved through residual analysis against an electrochemical model of healthy stack condition. An expert knowledge-based diagnostic approach is developed for fault isolation. This analysis is enabled through fuzzy logic calculations, which allows for computational reasoning against linguistic terminology and expert understanding of degradation phenomena. An experimental test bench has been utilised to test the health management processes, and demonstrate functionality. Through different steady-state and dynamic loading conditions, including a simulation of automotive application, diagnosis results can be observed for PEFC degradation cases. This research contributes to the areas of reliability analysis and health management of PEFC fuel cells. Established PEFC models have been updated to represent more accurately an application PEFC. The fuzzy logic knowledge-based diagnostic is the greatest novel contribution, with no examples of this application in the literature.

This thesis concerns biogas-operated fuel cells. Fuel cell technology may contribute to more efficient energy use, reduce emissions and also perhaps revolutionize current energy systems. The technology is, however, still immature and has not yet been implemented as dominant in any application or niche market. Research and development is currently being carried out to investigate whether fuel cells can live up to their full potential and to further advance the technology. The research of thesis contributes by exploring the potential of using fuel cells as energy converters of biogas to electricity. The work includes results from four different experimental test facilities and concerns experiments performed at cell, stack and fuel cell system levels. The studies on cell and stack level have focused on the influence of CO, CO2 and air bleed on the current distribution during transient operation. The dynamic response has been evaluated on a single cell, a segmented cell and at stack level. Two fuel cell systems, a 4 kW PEFC system and a 5 kW SOFC system have been operated on upgraded biogas. A significant outcome is that the possibility of operating both PEFCs and SOFCs on biogas has been established. No interruptions or rapid performance loss could be associated with the upgraded biogas during operation. From the studies at cell and stack level, it is clear that CO causes significant changes in the current distribution in a PEFC; air bleed may recover the uneven current distribution and also the drop in cell voltage due to CO and CO2 poisoning. The recovery of cell performance during air bleed occurs evenly over the electrode surface even when the O2 partial pressure is far too low to fully recover the CO poisoning. The O2 supplied to the anode reacts on the anode catalyst and no O2 was measured at the cell outlet for air bleed levels up to 5 %. Reformed biogas and other gases with high CO2 content are thus, from dilution and CO-poisoning perspectives, suitable for PEFC systems. The present work has enhanced our understanding of biogas-operated fuel cells and will serve as basis for future studies. / QC20100708

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerätes mit PEMFC und Autothermer Reformierung zur Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geleistet werden. Wesentliches Ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines BZH-Modells im Leistungsbereich bis 10 kWel das die thermischen und elektrischen Betriebsverhältnisse bei dynamischer Arbeitsweise insbesondere in Kopplung mit einem Spitzenlastkessel mit hinreichender Genauigkeit beschreibt. Auf Basis der gekoppelten Simulation von Gebäude und Anlagentechnik unter Berücksichtigung von Nutzereinflüssen werden umfassende Untersuchungen zum Betriebsverhalten und zur optimalen Dimensionierung von BZHs durchgeführt und nach energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Die Untersuchung ergab folgende wesentliche Resultate: Gegenüber modernen Energieumwandlungstechnologien mit Brennwertgeräten zur hocheffzienten Wärmeversorgung und GuD-Grundlastkraftwerken zur Bereitstellung elektrischen Stromes erzielt die KWK-Nutzung mit Brennstoffzellen primärenergetische Einsparpotenziale bis zu 21%. Bereits bei niedriger BZH-Auslegung (auf den mittleren elektrischen Haushaltsbedarf)wird deren Energiebedarf um ca. 3% unterschritten. Günstige BZH-Dimensionierungen für den Einsatz im Einfamilienhaus liegen zwischen Pel=1,0 ... 2,0 kW (QBZH=2,5 ... 4,6 kW) in Verbindung mit einem BW-Spitzenlastkessel. Mit der BZH-Bemessung auf die maximale Heizlast (Gebäudewärmebedarf und TWE) sind die niedrigsten primärenergetischen Aufwendungen zu erreichen. Oberhalb dieser Dimensionierung sind keine weiteren Einsparungen zu erwarten. Während separat betrachtet die elektrischen und thermischen Effizienzen von BZ-KWK-Anlagen vergleichsweise niedrig sind, spielt die gekoppelte Erzeugung verbunden mit hohen Gesamtnutzungsgraden die entscheidende Rolle. Mit dem generierten elektrischen BZ-Strom wird der mit höheren Abwärmeverlusten erzeugte Kraftwerksstrom ersetzt. Dieser Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen im Wohngebäude kommt nur bei der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie zum Tragen. Bei nichtintermittierendem Betrieb fällt Überschusswärme an, die an die Umgebung abzuführen ist. Außerhalb der Heizperiode stellen sich somit energetische Mehraufwendungen im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb ein. In der Kombination von BZ-Technik und Spitzenlastkessel sind lange BZH-Betriebszeiten zu garantieren. Diesbezüglich ist die Regelung zur Trinkwasser-Erwärmung - insbesondere in den Sommermonaten - zum optimalen Betrieb ausschlaggebend. Die teilweise Deckung des Haushaltsstrombedarfs und der Verkauf elektrischer Arbeit senken gegenüber dem konventionellen Energiebezug maßgeblich die Betriebskosten. Durch geltende BZ-Fördermaßnahmen werden per se jährliche Energiekosten gespart. Diese Einsparungen können zur mittelfristigen Refinanzierung der vergleichsweise teureren Anlagenkosten beitragen. Auf Basis der Betriebskosten-Einsparung gegenüber konventioneller Technik sind die Grenzkosten der BZH-Investition für den wärmegeführten, intermittierenden Betrieb abschätzbar. Unter Annahme einer BZ-Stack-Lebensdauer von einem Jahr beträgt die maximale Investition bei einer elektrischen BZH-Nettoleistung von beispielsweise Pel=1,0 kW rund I0,BZH=1066 EUR.

The topic of this thesis is the degradation of fuel cell electrodes in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In particular, the degradation associated with localized fuel starvation, which is often encountered during start-ups and shut-downs (SUs/SDs) of PEMFCs. At SU/SD, O2 and H2 usually coexist in the anode compartment. This situation forces the opposite electrode, i.e. the cathode, to very high potentials, resulting in the corrosion of the carbon supporting the catalyst, referred to as carbon corrosion. The aim of this thesis has been to develop methods, materials and strategies to address the issues associated to carbon corrosion in PEMFC.The extent of catalyst degradation is commonly evaluated determining the electrochemically active surface area (ECSA) of fuel cell electrode. Therefore, it was considered important to study the effect of RH, temperature and type of accelerated degradation test (ADT) on the ECSA. Low RH decreases the ECSA of the electrode, attributed to re-structuring the ionomer and loss of contact with the catalyst.In the search for more durable supports, we evaluated different accelerated degradation tests (ADTs) for carbon corrosion. Potentiostatic holds at 1.2 V vs. RHE were found to be too mild. Potentiostatic holds at 1.4 V vs. RHE were found to induce a large degree of reversibility, also attributed to ionomer re-structuring. Triangle-wave potential cycling was found to irreversibly degrade the electrode within a reasonable amount of time, closely simulating SU/SD conditions.Corrosion of carbon-based supports not only degrades the catalyst by lowering the ECSA, but also has a profound effect on the electrode morphology. Decreased electrode porosity, increased agglomerate size and ionomer enrichment all contribute to the degradation of the mass-transport properties of the cathode. Graphitized carbon fibers were found to be 5 times more corrosion resistant than conventional carbons, primarily attributed to their lower surface area. Furthermore, fibers were found to better maintain the integrity of the electrode morphology, generally showing less degradation of the mass-transport losses. Different system strategies for shut-down were evaluated. Not doing anything to the fuel cell during shut-downs is detrimental for the fuel cell. O2 consumption with a load and H2 purge of the cathode were found to give around 100 times lower degradation rates compared to not doing anything and almost 10 times lower degradation rate than a simple air purge of the anode. Finally, in-situ measurements of contact resistance showed that the contact resistance between GDL and BPP is highly dynamic and changes with operating conditions. / Denna doktorsavhandling behandlar degraderingen av polymerelektrolytbränslecellselektroder. polymerelektrolytbränslecellselektroder. Den handlar särskilt om nedbrytningen av elektroden kopplad till en degraderingsmekanism som heter ”localized fuel starvation” oftast närvarande vid uppstart och nedstängning av bränslecellen. Vid start och stopp kan syrgas och vätgas förekomma samtidigt i anoden. Detta leder till väldigt höga elektrodpotentialer i katoden. Resultatet av detta är att kolbaserade katalysatorbärare korroderar och att bränslecellens livslängd förkortas. Målet med avhandlingen har varit att utveckla metoder, material och strategier för att både öka förståelsen av denna degraderingsmekanism och för att maximera katalysatorbärarens livslängd.Ett vanligt tillvägagångsätt för att bestämma graden av katalysatorns degradering är genom mätning av den elektrokemiskt aktiva ytan hos bränslecellselektroderna. I denna avhandling har dessutom effekten av temperatur och relativ fukthalt studerats. Låga fukthalter minskar den aktiva ytan hos elektroden, vilket sannolikt orsakas av en omstrukturering av jonomeren och av kontaktförlust mellan jonomer och katalysator.Olika accelererade degraderingstester för kolkorrosion har använts. Potentiostatiska tester vid 1.2 V mot RHE visade sig vara för milda. Potentiostatiska tester vid 1.4 V mot RHE visade sig däremot medföra en hög grad av reversibilitet, som också den tros vara orsakad av en omstrukturering av jonomeren. Cykling av elektrodpotentialen degraderade istället elektroden irreversibelt, inom rimlig tid och kunde väldigt nära simulera förhållandena vid uppstart och nedstängning.Korrosionen av katalysatorbäraren medför degradering av katalysatorn och har också en stor inverkan på elektrodens morfologi. En minskad elektrodporositet, en ökad agglomeratstorlek och en anrikning av jonomeren gör att elektrodens masstransportegenskaper försämras. Grafitiska kolfibrer visade sig vara mer resistenta mot kolkorrosion än konventionella kol, främst p.g.a. deras låga ytarea. Grafitiska kolfibrer visade också en förmåga att bättre bibehålla elektrodens morfologi efter accelererade tester, vilket resulterade i lägre masstransportförluster.Olika systemstrategier för nedstängning jämfördes. Att inte göra något under nedstängning är mycket skadligt för bränslecellen. Förbrukning av syre med en last och spolning av katoden med vätgas visade 100 gånger lägre degraderingshastighet av bränslecellsprestanda jämfört med att inte göra något alls och 10 gånger lägre degraderingshastighet jämfört med spolning av anoden med luft. In-situ kontaktresistansmätningar visade att kontaktresistansen mellan bipolära plattor och GDL är dynamisk och kan ändras beroende på driftförhållandena. / <p>QC 20131104</p>

The aim of this diploma thesis was to analyze the current effects of FSC production on the Czech market. The analysis of certified products in the Czech Republic was performed from the perspective of consumers and companies. The first step was a short consumer survey, which was distributed among respondents in electronic and paper versions. The main objective of this research was to measure awareness of FSC logo and its effects in the consumer choice process. The second part of this research was dedicated to companies producing or selling certified furniture. The field research was conducted among selected stores situated in České Budějovice.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerätes mit PEMFC und Autothermer Reformierung zur Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geleistet werden. Wesentliches Ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines BZH-Modells im Leistungsbereich bis 10 kWel das die thermischen und elektrischen Betriebsverhältnisse bei dynamischer Arbeitsweise insbesondere in Kopplung mit einem Spitzenlastkessel mit hinreichender Genauigkeit beschreibt. Auf Basis der gekoppelten Simulation von Gebäude und Anlagentechnik unter Berücksichtigung von Nutzereinflüssen werden umfassende Untersuchungen zum Betriebsverhalten und zur optimalen Dimensionierung von BZHs durchgeführt und nach energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Die Untersuchung ergab folgende wesentliche Resultate: Gegenüber modernen Energieumwandlungstechnologien mit Brennwertgeräten zur hocheffzienten Wärmeversorgung und GuD-Grundlastkraftwerken zur Bereitstellung elektrischen Stromes erzielt die KWK-Nutzung mit Brennstoffzellen primärenergetische Einsparpotenziale bis zu 21%. Bereits bei niedriger BZH-Auslegung (auf den mittleren elektrischen Haushaltsbedarf)wird deren Energiebedarf um ca. 3% unterschritten. Günstige BZH-Dimensionierungen für den Einsatz im Einfamilienhaus liegen zwischen Pel=1,0 ... 2,0 kW (QBZH=2,5 ... 4,6 kW) in Verbindung mit einem BW-Spitzenlastkessel. Mit der BZH-Bemessung auf die maximale Heizlast (Gebäudewärmebedarf und TWE) sind die niedrigsten primärenergetischen Aufwendungen zu erreichen. Oberhalb dieser Dimensionierung sind keine weiteren Einsparungen zu erwarten. Während separat betrachtet die elektrischen und thermischen Effizienzen von BZ-KWK-Anlagen vergleichsweise niedrig sind, spielt die gekoppelte Erzeugung verbunden mit hohen Gesamtnutzungsgraden die entscheidende Rolle. Mit dem generierten elektrischen BZ-Strom wird der mit höheren Abwärmeverlusten erzeugte Kraftwerksstrom ersetzt. Dieser Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen im Wohngebäude kommt nur bei der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie zum Tragen. Bei nichtintermittierendem Betrieb fällt Überschusswärme an, die an die Umgebung abzuführen ist. Außerhalb der Heizperiode stellen sich somit energetische Mehraufwendungen im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb ein. In der Kombination von BZ-Technik und Spitzenlastkessel sind lange BZH-Betriebszeiten zu garantieren. Diesbezüglich ist die Regelung zur Trinkwasser-Erwärmung - insbesondere in den Sommermonaten - zum optimalen Betrieb ausschlaggebend. Die teilweise Deckung des Haushaltsstrombedarfs und der Verkauf elektrischer Arbeit senken gegenüber dem konventionellen Energiebezug maßgeblich die Betriebskosten. Durch geltende BZ-Fördermaßnahmen werden per se jährliche Energiekosten gespart. Diese Einsparungen können zur mittelfristigen Refinanzierung der vergleichsweise teureren Anlagenkosten beitragen. Auf Basis der Betriebskosten-Einsparung gegenüber konventioneller Technik sind die Grenzkosten der BZH-Investition für den wärmegeführten, intermittierenden Betrieb abschätzbar. Unter Annahme einer BZ-Stack-Lebensdauer von einem Jahr beträgt die maximale Investition bei einer elektrischen BZH-Nettoleistung von beispielsweise Pel=1,0 kW rund I0,BZH=1066 EUR.

Methods of solving the steady state characteristics of a node matrix equation system over a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) were evaluated. The most suitable method, referred to as the semi-implicit method, was set up in a MATLAB program. The model covers heat transfer due to thermal diffusion throughout the layers and due to thermal advection+diffusion in the gas channels. Included mass transport processes cover only transport of water vapor and consist of the same diffusion/advection schematics as the heat transfer processes. The mass transport processes are hence Fickian diffusion throughout all the layers and diffusion+advection in the gas channels. Data regarding all the relevant properties of the layer materials were gathered to simulate these heat- and mass transfer processes.Comparing the simulated temperature profiles obtained with the model to the temperature profiles of a previous work’s model, showed that the characteristics and behavior of the temperature profile are realistic. There were however differences between the results, but due to the number of unknown parameters in the previous work’s model it was not possible to draw conclusions regarding the accuracy of the model by comparing the results.Comparing the simulated water concentration profiles of the model and measured values, showed that the model produced concentration characteristics that for the most part alignedwell with the measurement data. The part of the fuel cell where the concentration profile did not match the measured data was the cathode side gas diffusion layer (GDL). This comparison was however performed with the assumption that relative humidity corresponds to liquid water concentration, and that this liquid water concentration is in the same range as the measured data. Because of this assumption it was not possible to determine the accuracy of the model.