On Hybrid Fuel Cell and Battery Systems for Maritime Applications
Tid: Fr 2022-05-13 kl 10.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/meeting/register/u5Urcu2hrzIjH9C9H51L2WqyIoH09iqrp_k_
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemiteknik Kemiteknik
Respondent: Ariel Chiche , Tillämpad elektrokemi
Opponent: Professor Lars Eriksson,
Handledare: Professor Carina Lagergren, Tillämpad elektrokemi; Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi; Universitetslektor Ivan Stenius, Farkostteknik och Solidmekanik
QC 2022-04-19
Abstract
Vätgas ses allmänt som en nyckelspelare för att nå en hållbar energisektor och minska koldioxidutsläppen i transportsektorn. Polymerelektrolytbränsleceller (PEMFC) förbrukar vätgas och syrgas för att generera elektricitet, värme och vatten. Med ett bra utformat vätgasdrivet energisystem kan uthållighet för en eldriven farkost öka avsevärt utan att vikt eller volym på systemet ökar, vilket gör detta till en lovande lösning i maritima tillämpningar. För att dra fördel av den höga energitätheten hos vätgas och den höga effekttätheten hos batterier, utvecklades och implementerades i detta arbete ett modellverktyg för dimensionering av hybridsystem till en undervattensfarkost och en räddningsbåt. Hänsyn togs till olika begränsningar, t ex krav på neutral flytkraft för undervattensfarkosten. Flera typer av vätgas- och syrgaslager jämfördes och deras termiska egenskaper inkluderades i dimensioneringen. För att förstå beteendet hos bränsleceller i en undervattenslik miljö, dvs i en sluten miljö utan närvaro av syrgas, byggdes en experimentell uppställning i labbskala och olika strategier för vätgashanteringen testades. Slutligen användes modellering av hybridsystemet för att jämföra olika energihanteringsstrategier (EMS).
Dimensioneringen, testad mot verkliga effektprofiler, visar att ett optimerat hybridsystem blir mer kompakt och lättare än ett batterisystem när uppdragens längd ökar. Hybridsystemet kan även konkurrera vad gäller vikt och volym med en dieselmotor och bidra till att minska miljöpåverkan från en farkost. Beräkning av hybridsystemets värmebalans visar att den största källan till denna är bränslecellen, oavsett vilken kombination för lagring av reaktanter som används. Den experimentella studien visar att bränslecellen bör leverera en låg strömtäthet vid en hög relativ luftfuktighet för att kunna begränsa förlusten av vätgas och öka stackens prestanda. En symmetrisk strategi med byte av vätgasens flödesriktning genom stacken efter varje rening (purging), ökar stackens stabilitet över tiden. Vad gäller energihantering i hybridsystemet visar modellering att det är avgörande att välja en anpassad EMS för varje uppdrag för att kunna fullgöra det. Vissa EMS tenderar att begränsa vätgasförbrukningen medan andra tar mer energi ur batteriet. Sammanfattningsvis kan sägas att det är relevant att använda bränslecellssystem för maritima tillämpningar och att dessa har potential att öka längden på de uppdrag som utförs.