Investigation of the mechanical stability of membranes in proton exchange membrane water electrolyzers
Creators: name: Julian, Kink
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: electrolysis
subject: PEMWE
subject: membranes
subject: Elektrolyse
subject: Membran
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik

description: In der vorliegenden Arbeit werden Membranen, die in der Protonen-Austausch-Membran-Wasserelektrolyse (PEMWE) eingesetzt werden, strukturmechanisch untersucht. Der Fokus liegt auf den mechanischen Belastungen, die auf die Membran wirken, sowie den resultierenden Membrandeformationen. Zu den mechanischen Belastungen zählen die Klemmkraft, die Membranquellung, der Gasdruck und die thermische Ausdehnung. Diese Belastungen können Membrandefekte wie Risse, Löcher und Ausdünnungen verursachen, die zum Versagen der Membran führen. Strukturmechanische Simulationen können das Verhalten der Membranen unter Belastung vorhersagen, sofern die Randbedingungen passend definiert sind und repräsentative Materialmodelle gewählt werden. Diese Dissertationsschrift untersucht das mechanische Verhalten von Membranen anhand experimenteller und modellbasierter Untersuchungen und ist in drei Teile gegliedert: Sie beginnt mit einer allgemeinen Untersuchung des mechanischen Verhaltens der Membran in einer PEMWE-Zelle, gefolgt von zwei potenziellen Konzepten zur Verstärkung der Membran. Im ersten Teil der Arbeit wird die mechanische Belastung von Nafion® 117 Membranen in PEMWE-Zellen analysiert, wobei der Fokus auf dem Spalt zwischen dem Zellrahmen und den porösen Transportschichten (PTL) liegt. Mit einer Finite-Elemente-Analyse werden mechanische Spannungen und Dehnungen in der Membran während der Montage und des Betriebs in einer PEMWE-Zelle quantifiziert. Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Materialmodell implementiert und auf der Grundlage von experimentellen Daten parametrisiert und validiert. Die Ergebnisse der Zellsimulation zeigen, dass in der gewählten Zellkonfiguration bei einer Spaltgröße von 0,15 mm keine kritischen Zustände entstehen, selbst bei einem Differenzdruck von bis zu 10 bar. Das heißt, die Spannungen und Dehnungen, welche berechnet wurden, sind deutlich geringer als die Versagensspannungen und -dehnungen, die in den experimentellen Untersuchungen ermittelt wurden. Eine Erhöhung der Spaltgröße auf über 0,3 mm kann jedoch zu einer Ausbeulung der Membran führen, was zu einer Ausdünnung und möglicherweise zu einem Versagen der Membran führen kann. In einer zweiten Studie wird das Potenzial von Subgasket-Folien zur Verstärkung der Membran untersucht. Subgaskets können als Verstärkungsschicht außerhalb der aktiven Fläche der Membran verwendet werden, indem sie in diesem Bereich auf die Membrane geklebt werden. Die Studie zeigt, dass Subgaskets die Membran an der Spaltstelle stabilisieren können, auch unter Differenzdruck. Die Simulationsergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit, das Subgasket sorgfältig zu positionieren und die Dicke des Subgaskets für eine optimale mechanische Stabilisierung anzupassen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Einsatz von Subgaskets das Ausbeulen der Membran bei erhöhten Spaltgrößen zwischen Zellenrahmen und PTL verhindern kann. In einer dritten Analyse wird der Einsatz von Gewebestrukturen innerhalb der Membran als Verstärkungskonzept zur Vermeidung von Membranfehlern untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass für die in diesem Fall verwendete Zellkonfiguration während des normalen Betriebs kein Ausfall zu erwarten ist, wenn eine Gewebeverstärkung angewendet wird. Auch bei variierten Temperaturen und Differenzdruck ist kein Membranversagen zu erwarten, es sei denn, die Spaltgröße im Übergangsbereich zwischen Zellrahmen und PTL übersteigt 0,1 mm. Bei Spaltweiten größer als 0,1 mm kommt es zu starken Verformungen und Knicken der Membran, was auf ein mögliches Versagen der Membran hinweist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Wahl der Spaltgröße in Zelldesigns eine wichtige Rolle spielt, um mechanische Defekte der in PEMWE-Zellen verwendeten Membran zu verhindern. Darüber hinaus kann der Einsatz einer Verstärkungsschicht, wie eines Subgaskets oder einer Gewebeverstärkung, die Membranstabilität, insbesondere an der Spaltstelle, erheblich verbessern. Die Dicke und die Positionierung des Subgaskets müssen jedoch sorgfältig berücksichtigt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
description: This work investigates the structural mechanics of membranes in proton exchange mem- brane water electrolysis (PEMWE) cells, focusing particularly on mechanical stressors and the resultant membrane deformation. Mechanical stressors include clamping force, swelling, gas pressure and thermal expansion. They can lead to membrane defects such as cracks, pinholes, and thinning. Structural mechanical simulations can predict the membrane’s behavior under stress when the boundary conditions and material models align with experimental data. This dissertation provides experimentally determined data on mechanical membrane material prop- erties as well as model-based analyses. The investigations are divided into three parts: the first part provides a general investigation of mechanical membrane behavior in PEMWE cells, fol- lowed by investigations regarding two different membrane reinforcing methods. The first analysis examines the mechanical stress exposure of Nafion® 117 membranes within PEMWE cells, with a focus on the gap geometry between the cell frame and porous transport layers (PTL). Using a finite-element analysis, mechanical stresses and strains on the membrane during cell assembly and electrolysis operation are quantified. For this analysis, a suitable material model was implemented and parameterized based on experimental data. The results of the cell simulation demonstrate that in the chosen cell configuration no critical states arise with a gap size of 0.15 mm, even under differential pressure up to 10 bar. However, in- creasing the gap sizes to over 0.3 mm can lead to membrane buckling, resulting in membrane thinning, possibly followed by membrane failure. In the second investigation, the potential of reinforcing the membrane with a subgasket layer outside the active area is explored. Subgaskets can be used as a reinforcing layer for the mem- brane and are usually glued to the membrane. This study shows that subgasket layers can sta- bilize the membrane at the gap interface, even under differential pressure. The analysis of the simulation results highlights the need for careful positioning of the subgasket and for consider- ing a suitable subgasket thickness to achieve optimal mechanical stabilization. Furthermore, it was found that a subgasket can prevent membrane buckling which can occur at increased gap sizes between cell frame and PTL. In a last study, the use of woven web layers as an internal reinforcement within the membrane structure is assessed to prevent membrane defects. The findings suggest that in the cell configuration used for this analysis no failure is expected during normal operation with the applied woven web reinforcement, including varied temperatures and differential pressure, unless the gap size at the edge of the electrochemically active cell area exceeds 0.1 mm. Exceeding gap sizes of 0.1 mm results in large membrane deformations and buckling, indicating possible membrane failure. In conclusion, this research indicates that selecting the appropriate gap size in cell designs is crucial to preventing mechanical failures of membranes in PEMWE cells. Additionally, the application of a reinforcement, such as a subgasket layer or woven web, can significantly enhance membrane stability, particularly at the gap interface. However, the thickness and the positioning of the subgasket must be carefully considered for optimal results.