Transcript Slide 1
Regulering af Brændselscellesystem Søren Juhl Andreasen 24. november 2009
www.iet.aau.dk
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
1
Agenda
• Introduktion • HTPEM-brændselsceller • Brændselscelleapplikationer • Metanolreforming • Elektrokemisk impedansspektroskopi
www.iet.aau.dk
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
2
Projekt
www.iet.aau.dk
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
3
www.iet.aau.dk
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
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
5
Højtemperatur PEM fuel cells
www.iet.aau.dk
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
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
7
Fra prototype til kommercielt produkt www.iet.aau.dk
www.serenergy.dk
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
8
Agenda
• Introduktion • HTPEM-brændselsceller • Brændselscelleapplikationer • Metanolreforming • Elektrokemisk impedansspektroskopi
www.iet.aau.dk
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
9
GMR Truck – Systemtilstande
• • • • Primære tilstande Start-up Power generation Shutdown Error
www.iet.aau.dk
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
10
Opvarmningsstrategier
www.iet.aau.dk
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
11
Systemopvarmning GMR truck
Inlet temperature : 130-160 ° C Air flow : 400 L/min
www.iet.aau.dk
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
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
13
Direkte FC / batteriforbindelse
www.iet.aau.dk
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
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
15
Agenda
• Introduktion • HTPEM-brændselsceller • Brændselscelleapplikationer • Metanolreforming • Elektrokemisk impedansspektroskopi
www.iet.aau.dk
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
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
17
www.iet.aau.dk
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
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
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
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
21
Electrochemical impedance spectroscopy
Z=α+jβ
www.iet.aau.dk
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
Søren Juhl Andreasen© Aalborg University 2009
23