Transcript Slide 1

Regulering af Brændselscellesystem Søren Juhl Andreasen 24. november 2009

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

1

Agenda

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

2

Projekt

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

3

www.iet.aau.dk

[email protected]

Dokumentation

Main publications

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

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

: International Journal of Hydrogen Energy, 2009,

Directly connected series coupled HTPEM fuel cell stacks to a Li-ion battery DC bus for a fuel cell electrical vehicle

vol. 33, p. 7137-7145 : International Journal of Hydrogen Energy, 2009,

Membrane Fuel Cell Stacks

vol. 33, p. 4655-4664 :

Modeling and Evaluation of Heating Strategies for High Temperature Polymer Electrolyte

Electrochemical Society Transactions, 2008,

Stack

vol. 12, nr. 1, p. 571-578 :

Experimental Evaluation of a Pt-based Heat Exchanger Methanol Reformer for a HTPEM Fuel Cell

Electrochemical 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

Electrochemical Society Transactions, 2007, vol. 5, nr. 1, p. 197-207 :

400 W High Temperature PEM Fuel Cell Stack Test

Conference on Power Electronics and Applications, 2007, Proceedings EPE 2007 :

Design of Propulsion System for a Fuel Cell Vehicle

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

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

4

Agenda

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

5

Højtemperatur PEM fuel cells

www.iet.aau.dk

[email protected]

Højtemperatur PBI-baseret PEM FC Membran polymer: PBI (polybenzimidazole) Protonleder : H 3 PO 4 (Phosphoric acid) FC temperatur: Besdt performance: 120-200 o C 160-180 o C 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

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

6

System design

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

7

Fra prototype til kommercielt produkt www.iet.aau.dk

[email protected]

www.serenergy.dk

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

8

Agenda

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

9

GMR Truck – Systemtilstande

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

10

Opvarmningsstrategier

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

11

Systemopvarmning GMR truck

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

12

Temperaturregulering

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

13

Direkte FC / batteriforbindelse

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

14

Hybrid drift

• Under accelerationer falder batteri spændingen; brændselscellestrømmen stiger • Forskelle i temperaturer er synlig i performance

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

15

Agenda

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

16

Behov for løsninger ang. H 2 -lagring

• Komprimeret H 2 • Metalhydridlager • Flydende H 2

Den volumetriske energitæthed for H 2 er lav

Hydrogen vs. methanol

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

17

www.iet.aau.dk

[email protected]

Hydrogen system vs. reformer system

Hydrogen baseret HTPEM fuel cell system Metanolreformer baseret HTPEM fuel cell system eksempel 100% H 2 H 2 Valves H 2 in H 2 out Air in Fuel Cell Air out Air in Air out CH 3 OH+H 2 O (steam) Reformer H 2 in H 2, CO , CO 2, H 2 O Fuel Cell Burner H 2 out Burner air Evaporator Fuel pump Fuel tank CH 3 OH+H 2 O

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

18

Eksperimentel reformer setup

Katalyst coated varmeveksler:

Velkendt komponent Kompakt God varmeovergang Lav termisk masse

www.iet.aau.dk

[email protected]

Fuel flow estimator

system

U FC

CH

3

OH

 

I FC

LHV P BoP CH

3

OH

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

19

Agenda

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

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

20

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

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

21

Electrochemical impedance spectroscopy

Z=α+jβ

www.iet.aau.dk

[email protected]

Påvirkningen af reformatgas kan også ses på EIS målinger.

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

22

Regulering af Brændselscellesystem Søren Juhl Andreasen 24. november 2009

www.iet.aau.dk

[email protected]

Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009

23