Regulering af Brændselscellesystem Søren Juhl Andreasen 24. november 2009

www.iet.aau.dk

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University [email protected] 1

Regulering af Regulering af BrændselscellesysteBrændselscellesyste

mm Søren Juhl Andreasen Søren Juhl Andreasen

24. november 200924. november 2009

www.iet.aau.dk


Agenda

• Introduktion• HTPEM-brændselsceller• Brændselscelleapplikationer• Metanolreforming• Elektrokemisk impedansspektroskopi

www.iet.aau.dk


Projekt

www.iet.aau.dk


Dokumentation

International Journal of Hydrogen Energy, 2009, vol. 33, p. 7137-7145:Directly connected series coupled HTPEM fuel cell stacks to a Li-ion battery DC bus for a fuel cell electrical vehicleInternational Journal of Hydrogen Energy, 2009, vol. 33, p. 4655-4664:Modeling and Evaluation of Heating Strategies for High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell StacksElectrochemical Society Transactions, 2008, vol. 12, nr. 1, p. 571-578:Experimental Evaluation of a Pt-based Heat Exchanger Methanol Reformer for a HTPEM Fuel Cell StackElectrochemical Society Transactions, 2008, vol. 12, nr. 1, p. 639-650:Modeling and Implementation of a 1 kW, Air Cooled HTPEM Fuel Cell in a Hybrid Electrical Vehicle

Fuel Cells, 2009, Vol. 9, Issue 4, p. 463-473:Characterization and Modeling of a High Temperature PEM Fuel Cell Stack using Electrochemical Impedance Spectroscopy

Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2009, Vol.6 issue 4 p. 041006-(1-8):Dynamic Model of the High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack Temperature

Conference on Power Electronics and Applications, 2007,Proceedings EPE 2007:Design of Propulsion System for a Fuel Cell Vehicle

Electrochemical Society Transactions, 2007, vol. 5, nr. 1, p. 197-207:400 W High Temperature PEM Fuel Cell Stack Test

Main publications

Ph.D. Thesis : Design and Control of High Temperature PEM Fuel Cell System, ISBN: 87-89179-78-1

www.iet.aau.dk


Agenda


www.iet.aau.dk


Højtemperatur PEM fuel cells

Højtemperatur PBI-baseret PEM FCMembran polymer: PBI (polybenzimidazole)Protonleder : H3PO4 (Phosphoric acid)FC temperatur: 120-200 oCBesdt performance: 160-180oC

Fordele•Mindre kompleks end <100ºC membraner•CO tolerant op til 2-3%•Ingen befugtning = Simpelt stak- og systemdesign•Køling ukompliceret i de fleste omgivelseser

Ulemper•Lavere cellespænding end LTPEM, højere end DMFC•Lang opvarmningstid pga. af høje temperaturer•Flydende vand er uønsket

www.iet.aau.dk


System design

www.iet.aau.dk


www.serenergy.dk

Fra prototype til kommercielt produkt

www.iet.aau.dk


Agenda


www.iet.aau.dk


GMR Truck – Systemtilstande

Primære tilstande• Start-up• Power generation• Shutdown• Error

www.iet.aau.dk


Opvarmningsstrategier

www.iet.aau.dk


Systemopvarmning GMR truck

Inlet temperature : 130-160°CAir flow : 400 L/min

www.iet.aau.dk


Temperaturregulering

Krav til luftforsyning:• Feedforward - Minimum luft flow afhænger af FC strøm• PI-regulator - Temperaturregulering

www.iet.aau.dk


Direkte FC / batteriforbindelse

www.iet.aau.dk


Hybrid drift

•Under accelerationer falder batteri- spændingen; brændselscellestrømmen stiger

•Forskelle i temperaturer er synlig i performance

www.iet.aau.dk


Agenda


www.iet.aau.dk


Hydrogen vs. methanol

Behov for løsninger ang. H2-lagring•Komprimeret H2

•Metalhydridlager•Flydende H2

Den volumetriske energitæthed for H2 er lav

www.iet.aau.dk


Hydrogen system vs. reformer system

Hydrogen baseret HTPEM fuel cell system

Fuel CellH2

Valves

Air in

Air out

H2 in

H2 out

100% H2

Fuel Cell

Fuel tankCH3OH+H2O

Air out

H2, CO2,

CO, H2O

H2 out

Reformer

Evaporator

Burner

Air in

H2 in

CH3OH+H2

O(steam)

Fuel pump

Metanolreformer baseret HTPEM fuel cell system eksempel

Burner air

www.iet.aau.dk

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University [email protected]

Katalyst coated varmeveksler:Velkendt komponentKompaktGod varmeovergangLav termisk masse

19

Eksperimentel reformer setup

Fuel flow estimator

OHCHOHCH

BoPFCFCsystem LHVm

PIU

33

www.iet.aau.dk


Agenda


www.iet.aau.dk


Elektrokemisk impedansspektroskopi

• Electrokemisk impedansspektroskopi er en måleteknik der kan bruges til f.eks. udledning af ækvivalent kredsløbsmodeller.

• EIS er en effektiv teknik til udledning af ”predictive models”

• Kan benyttes til online diagnose af brændselsceller (samt mange andre elektrokemiske celler)

www.iet.aau.dk


Electrochemical impedance

spectroscopy

Påvirkningen af reformatgas kan også ses på EIS målinger.

Z=α+jβ

www.iet.aau.dk


Regulering af Regulering af BrændselscellesysteBrændselscellesyste

mm Søren Juhl Andreasen Søren Juhl Andreasen

24. november 200924. november 2009

Regulering af Brændselscellesystem Søren Juhl Andreasen 24. november 2009

Documents