Slide 1

Report
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
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, 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 vehicle
International Journal of Hydrogen Energy, 2009, vol. 33, p. 4655-4664:
Modeling and Evaluation of Heating Strategies for High Temperature Polymer Electrolyte
Membrane Fuel Cell Stacks
Electrochemical 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
Stack
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
www.iet.aau.dk
[email protected]
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
Højtemperatur PBI-baseret PEM FC
Membran polymer:
Protonleder :
FC temperatur:
Besdt performance:
PBI (polybenzimidazole)
H3PO4 (Phosphoric acid)
120-200 oC
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
[email protected]
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.serenergy.dk
www.iet.aau.dk
[email protected]
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 batterispændingen; 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
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
[email protected]
Søren Juhl Andreasen©
Aalborg University
2009
17
Hydrogen system vs. reformer system
Hydrogen baseret HTPEM fuel cell system
Valves
100% H2
Metanolreformer baseret HTPEM fuel cell system eksempel
Air in
Air in
H2 in
H2 in
Fuel Cell
H2
CH3OH+H2O
(steam)
Air out
Reformer
H2, CO2,
CO, H2O
Fuel Cell
H2 out
Burner
Air out
H2 out
Burner air
Evaporator
Fuel pump
Fuel tank
CH3OH+H2O
www.iet.aau.dk
[email protected]
Søren Juhl Andreasen©
Aalborg University
2009
18
Eksperimentel reformer setup
Katalyst coated varmeveksler:
Velkendt komponent
Kompakt
God varmeovergang
Lav termisk masse
Fuel flow estimator
 system 
U FC  I FC  PBoP
m CH 3OH  LHVCH 3OH
www.iet.aau.dk
[email protected]
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
Påvirkningen af reformatgas kan også ses på EIS målinger.
www.iet.aau.dk
[email protected]
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

similar documents