EHSTACK-XL – Large single stack PEM Fuel Cell System for heavy duty mobility & large scale stationary

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502440

Short description (German)

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind die Antwort auf die Herausforderung der umweltschädlichen Technologien, die unsere Wirtschaft antreiben. Nutzfahrzeuge, die häufig eingesetzt werden, eine große Reichweite haben oder eine hohe Nutzlast mit sich bringen, sind prädestiniert für eine bahnbrechende Dekarbonisierung, die durch Batterien allein nicht erreicht werden kann (Lkw, Schifffahrt, Bergbau usw.). Bestehende BZ-Systeme mit einer Leistung von 250 kW verwenden mehrere parallel geschaltete Stacks. Dies bedeutet größere Systeme, redundante Komponenten und geringere Leistung. Ziel ist die Entwicklung eines PEM-BZ-Systems mit einer Leistung von bis zu 250 kW auf der Grundlage einer einzigen Stack-Plattform.

Short description (English)

Hydrogen fuel cells address the challenge of pollutive technologies that power our economy. Commercial vehicles with ex-tended use, range or heavy payloads are primed for disruptive decarbonization that cannot be met by batteries alone (trucks, maritime, mining, etc.). Existing FC systems of 250kW use several stacks in parallel. This means larger systems, redundant components and lower performance. Goal is to develop a PEM FC system of up to 250kW based on a single stack platform.

Short description (French)

La mobilité lourde et grande puissance stationnaire sont prêtes pour une décarbonisation qui ne pourra pas être satisfaite par les batteries (camions, maritime, stockage d'énergie). Cependant, les systèmes de PACs destinés à de grande puissances (200 kW+) utilisent plusieurs stacks en parallèle. Cela signifie des systèmes plus grands et des performances inférieures. L'objectif est de développer un concept de diffusion des gaz, permettant des systèmes jusqu'à 200kW sur une seule stack.

Final report (German)

Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung und Entwicklung eines grösseren PEM-Brennstoffzellensys-tems mit einer Leistung von bis zu 250 kW unter Verwendung einer neuen Plattform mit einem einzigen Brennstoffzellenstapel (EH-M87). Dies beinhaltete die Skalierung unseres Brennstoffzellenstapels durch die Verbesserung der MPL/GDL-Zellenkomponente (MPL = Microporous layer, GDL = Gas diffu-sion layer) und die Anpassung der übrigen Anlagenkomponenten (Befeuchter, Kompressor...). Im Er-gebnis wird unser Brennstoffzellensystem kompakter und effizienter sein und niedrigere Herstellungs-kosten haben, da die doppelte Ausführung von Brennstoffzellen- und BoP-Komponenten entfällt. Der daraus resultierende Brennstoffzellensstack eignet sich für vielfältige Anwendungen, die von Mobilitäts-lösungen wie Lastwagen und Zügen bis hin zur Notstromversorgung für Rechenzentren oder Energie-speicher reichen.

Die Stapelbox entspricht der Produktnorm IEC 62282 und gewährleistet die Einhaltung von unter ande-rem Schifffahrtsvorschriften und EU-Anforderungen für stationäre Anwendungen. Sie weist Neigungsos-zillationsfähigkeiten von bis zu ±30 Grad auf, sowohl statisch als auch in dynamischen Hin- und Herbe-wegungsszenarien. Die Stapelbox ist für Vibrationen bis 4g und Stösse bis 10g ausgelegt. Darüber hinaus bietet sie Schutz gegen das Eindringen von Wasser und Staub gemäß IP67-Norm und erfüllt die Anforderungen zur elektromagnetischer Verträglichkeit (EMC) hinsichtlich Störfestigkeit und Emissio-nen. Ausserdem verfügt sie über eine interne Belüftung, wobei die Belüftungsöffnungen strategisch ausserhalb des Gehäuses platziert sind, um Bedenken hinsichtlich einer möglichen Freisetzung oder Ansammlung von Wasserstoff innerhalb des Gehäuses auszuräumen. Dieses Design erfüllt verschie-dene Standards, einschließlich der ATEX-Brand- und Explosionsanforderungen und der UL94-Ent-flammbarkeitsnorm.

Die Technologie wird im Einklang mit der weltweit anerkannten Norm IEC 62282 entwickelt, die bei der Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie für verschiedene Anwendungen wie Automobile, statio-näre Maschinen und den maritimen Einsatz weit verbreitet ist. Sie ist sowohl für die Nachrüstung beste-hender Systeme als auch für die Implementierung in neue Anwendungen anpassbar.

Final report (English)

This project aims to investigate and enhance performance of a larger Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell system, capable of reaching +250 kW through the implementation of a novel single fuel cell stack platform. The endeavour involves upscaling the fuel cell stack performance by implementing several innovative steps based on EH Group’s patented technology, reinventing the MPL/GDL structure and optimising performance and dimensioning of the balance-of-plant components (such as humidifiers and compressors). The new and innovative approach on MPL/GDL development (MPL = Microporous layer, GDL = Gas diffusion layer) assists in reduction of cell thickness, resistivity, improvement of gas flow and performance of the stack. This approach leads to a more compact, efficient, scalable, and cost-effective fuel cell system, eliminating the duplication of fuel cell stack and a few of the balance-of-plant components. The resulting fuel cell building block demonstrates suitability for diverse applications, ranging from mobility solutions like trucks and trains to substantial power backup for data centres or energy storage.

The MPL/GDL development involves

• Two types of uniform MPL/GDL layers for PEMFC have been developed.
• Improved structures are investigated in detail and compared to conventional materials.
• MPL/GDL Type I shows good electrical conductivity, low contact resistance, high porosity, and average thickness
• MPL/GDL Type II displays uniform pores and better apparent electrical conductivity, permeability, and diffusivity than existing manufactured material.
• Both types of developed MPL/GDL can improve mass transport, reduce ohmic losses, and achieve better water management.

The newly proposed innovation on MPL/GDL development and the stack design could be an optimal way for the industry to adapt. That includes development of larger stack platforms, faster production, higher reliability and better performance and lifetime.

Furthermore, the stack box design adheres to the IEC 62282 product standard, ensuring compliance with various applications such as maritime, aviation and stationary application requirements. It exhibits inclination oscillation capabilities up to ±30 degrees, both statically and in dynamic reciprocating scenarios. The stack box is designed to withstand vibrations up to 5g and shocks up to 10g. Moreover, it provides protection against water and dust ingress in accordance with IP67 norms and complies with EMC requirements for immunity and emissions. Also, it incorporates internal ventilation, with vents strategically placed outside the box, addressing concerns related to potential hydrogen release or accumulation within the enclosure. This design meets various standards, including fire and explosion requirements and the UL94 flammability standard.

As a result of this valuable collaboration with SFOE, we have developed a novel GDL/MPL that can be integrated into stack development for better performance. The new design and approach can be integrated in the next generation of production machinery that accelerate the deployment of EH Group fuel cell products to decarbonise large stationary power, aviation, and marine applications.

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• Final report [PDF] 4'077 kB

Final report (French)

Ce projet vise à étudier et à améliorer un système de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) plus grand, capable d'atteindre 250 kW grâce à la mise en oeuvre d'une nouvelle plate-forme de pile à combustible unique. L'effort consiste à améliorer la pile à combustible en affinant le composant de pile MPL/GDL et en ajustant les composants de l'équilibre de l'usine (tels que les humi-dificateurs et les compresseurs) pour s'aligner sur une pile unique. Cette approche conduit à un système de pile à combustible plus compact, efficace, évolutif et rentable, éliminant la duplication des compo-sants de la pile à combustible et du reste de l'usine. L'élément constitutif de la pile à combustible qui en résulte démontre son adéquation à diverses applications, allant des solutions de mobilité telles que les camions et les trains à une alimentation de secours substantielle pour les centres de données ou le stockage d'énergie.

La boîte empilable est conforme à la norme de produit CEI 62282, garantissant ainsi la conformité aux réglementations maritimes, aux exigences des applications stationnaires de l'UE, etc. Il présente des capacités d'oscillation d'inclinaison jusqu'à ± 30 degrés, à la fois statiquement et dans des scénarios alternatifs dynamiques. La Stack Box est conçue pour résister à des vibrations jusqu'à 4g et à des chocs jusqu'à 10g. De plus, il offre une protection contre la pénétration d'eau et de poussière conformément aux normes IP67 et est conforme aux exigences CEM en matière d'immunité et d'émissions. Il intègre également une ventilation interne, avec des évents stratégiquement placés à l'extérieur de la boîte, répondant aux problèmes liés à la libération ou à l'accumulation potentielle d'hydrogène dans l'enceinte. Cette conception répond à diverses normes, notamment les exigences ATEX en matière d'incendie et d'explosion et la norme d'inflammabilité UL94.

La technologie est développée conformément à la norme CEI 62282 mondialement reconnue, large-ment appliquée dans le développement de la technologie des piles à combustible pour diverses appli-cations telles que l'automobile, les machines stationnaires et l'utilisation maritime. Il est adaptable à la fois pour la modernisation de systèmes existants et pour la mise en oeuvre dans de nouvelles applica-tions.