Development of a hybrid hydrogen compressor : electrochemical at low pressure/ adsorption at high pressure - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2019

Development of a hybrid hydrogen compressor : electrochemical at low pressure/ adsorption at high pressure

Développement d’un compresseur hybride d’hydrogène : électrochimique à basse pression/adsorption à haute pression

Abstract

The proof of concept of a non-mechanical hydrogen compressor has been carried out in the present study. It is a hybrid compressor since it consists of: (i) a first electrochemical compression step, which compresses hydrogen from 1 bar up to 40-80 bar and; (ii) a second compression step based on the thermally-driven cyclic adsorption-desorption which allows compressing hydrogen up to 700 bar. Numerical models have been developed to verify the feasibility of such a system, and their validity has been proved by the experimental data obtained with the prototypes built for each of the two compression stages. Concerning the electrochemical compressor, a current density distribution along the electrochemical was observed using a segmented cell, and the developed pseudo-2D model proved that the stability of the current density strictly depends on the local water content of the membrane. Indeed, the current density was found to decrease from 0.75 A/cm2 to 0.65 A/cm2 between the first and the last segment of the compressor, which corresponds to a decrease of the relative humidity in the inlet hydrogen flow from 90% to 55% along the gas channels at the anode side (at 0.66 A/cm2 x 0.36 V and 333 K). Concerning the adsorption-desorption compressor, the Modified Dubinin-Astakhov model (MDA) was implemented to describe hydrogen adsorption on activated carbons as a function of the temperature and the pressure. It was used along with the mass and the energy balance equations to study the feasibility of such a compressor. The results from the numerical simulation were validated with the experimental data, which were obtained using a prototype of 0.5 L, designed and built for the present study, and containing 0.135 kg of the activated carbon MSC-30 (Kansai, Japan). 30 NL/h of high-pressure hydrogen at 700 bar were obtained when introducing hydrogen at 80 bar into the compressor, previously cooled to 77 K, and when heating it up to 315 K. The proposed hybrid hydrogen compressor could be a valid alternative to traditional mechanical compressors, and it could be used in small and decentralized facilities using hydrogen as a fuel, e.g. a hydrogen refuelling station.
La preuve de concept d’un compresseur non-mécanique d’hydrogène a été réalisée dans le cadre de ce travail de thèse. Le système étudié est hybride puisqu’il est constitué de (i) une première étape de compression électrochimique, qui comprime l’hydrogène de 1 bar jusqu’à 40-80 bar et ; (ii) une deuxième étape de compression par adsorption-désorption qui complète la compression jusqu’à 700 bar. Des modèles numériques ont été développés pour vérifier la faisabilité d’un tel système, et leur validité a été prouvée par les données expérimentales obtenues avec les prototypes réalisés pour chacune des deux étapes de compression. Concernant l’étape de compression électrochimique, un profil de densité de courant le long du compresseur électrochimique a été observé à l’aide d’une cellule segmentée, et le modèle pseudo-2D développé a permis de prouver que la stabilité de la densité de courant dépend fortement de la teneur locale en eau de la membrane. En effet, il a été observé une diminution de la densité de courant de 0.75 à 0.65 A/cm2 entre l’entrée et la sortie du compartiment basse pression. Cette variation correspond à une diminution du taux d’humidité dans le flux d’hydrogène, de 90 à 55%, le long des canaux de distribution des réactifs côté anodique (à 0.66 A/cm2 x 0.36 V et à 333 K). Concernant l’étape de compression par adsorption-désorption, le modèle modifié de Dubinin-Astakhov (MDA) a été mis en œuvre pour décrire l’adsorption d’hydrogène sur des charbons actifs en fonction des conditions de température et de pression. Cette loi, associée aux bilans de masse et d’énergie ont permis d’étudier la faisabilité d’un tel compresseur. Les résultats de modélisation ont été validés par comparaison avec des données expérimentales obtenues grâce à un prototype de 0.5 L, conçu et construit pour ce travail de thèse, et contenant 0.135 kg de charbon actif MSC-30 (Kansai, Japon). Lorsque le réservoir est rempli d’hydrogène à 80 bar et 77K, son réchauffement jusqu’ à 315 K permet d’obtenir des débits de 30 NL/h à 700 bar. Le compresseur hybride proposé pourrait être une alternative valable aux compresseurs mécaniques placés dans des installations décentralisées telles que les stations-service d’hydrogène de faible ou moyenne capacité.
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Dates and versions

tel-02970054 , version 1 (17-10-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02970054 , version 1

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Cite

Giuseppe Sdanghi. Development of a hybrid hydrogen compressor : electrochemical at low pressure/ adsorption at high pressure. Material chemistry. Université de Lorraine, 2019. English. ⟨NNT : 2019LORR0145⟩. ⟨tel-02970054⟩
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