Internationellt standardiseringsarbete på bränslecellsområdet

Transkript

1 BRÄNSLECELLER nr/år Elforsk projekt 2332 Internationellt standardiseringsarbete på bränslecellsområdet Eva Fontes, Catella Generics AB Innehåll SAMMANFATTNING INTRODUKTION BRÄNSLECELLER Part 1: Terminology Part 2: Fuel cell modules Part 3-1: Stationary fuel cell power plants Safety Part 3-2: Stationary fuel cell power plants Performance testmethods Part 3-3: Stationary fuel cell power plants Installation Part 5: Portable fuel cell appliances Safety and performance requirements Part 6-1: Micro fuel cell power systems Safety Part 6-2: Micro fuel cell power systems Performance HYDROGENTEKNIK... 11

2 Sammanfattning Bränslecellstekniken närmar sig kommersialisering inom ett flertal tillämpningar och det är därför av största vikt att etablera ett internationellt standardiseringsarbete som underlättar global handel och harmoniserar godkännandeprocessen för bränsleceller. IECs tekniska kommitté IEC/TC 105 Fuel Cell Technologies bildades 1999 och har till uppgift att utveckla enhetliga internationella standarder för bränslecellsteknik i alla typer av tillämpningar. En lyckad kommersialisering av bränslecellsteknik kräver även standardisering av dess infrastruktur såsom garage, tankstationer och bränslelager. Standardiseringen av infrastrukturella aspekter tillhör inte IEC/TC 105s direkta ansvarsområde och man har därför upprättat ett nära samarbete med andra tekniska kommittéer som arbetar med dessa frågor, däribland ISO/TC 197 Hydrogen Technologies. Elforsk har via Energimyndighetens program för stationära bränsleceller uppdragit åt Catella Generics att bevaka det internationella standardiseringsarbetet inom bränslecellsområdet. Bevakningsarbetet har genomförts via deltagande i de två svenska tekniska kommittéerna SIS/TK 410 Hydrogenteknik och SEK/TK 105 Bränsleceller. Den här rapporten syftar till att ge en översikt av det internationella standardiseringsarbetet på bränslecellsområdet. Fokus har lagts på standardisering av själva bränslecellstekniken medan fastställda och pågående standardiseringsdokument inom hydrogenteknik endast presenteras summariskt. Det internationella standardiseringsarbetet inom IEC/TC 105 bedrivs i tio arbetsgrupper och sker inom ramen för publikationen IEC som har följande disposition: Part 1: Terminology Part 2: Fuel cell modules Part 3-1: Stationary fuel cell power plants Safety Part 3-2: Stationary fuel cell power plants Performance test methods Part 3-3: Stationary fuel cell power plants Installation Part 4: Fuel cell system for propulsion and auxiliary power units (APU) Part 5: Portable fuel cell appliances Safety requirements Part 6-1: Micro fuel cell power systems Safety Part 6-2: Micro fuel cell power systems Performance Part 6-3: Micro fuel cell power systems Interchangeability Del 1 är en fastställd teknisk specifikation medan del 2 och 3-2 är fastställda internationella standarder. Del 6-1 är en fastställd offentligt tillgänglig specifikation. De resterande delarna av IEC befinner sig på ett tidigare utvecklingsstadium i standardiseringsprocessen. 1. Introduktion Bränslecellstekniken närmar sig kommersialisering inom ett flertal tillämpningar och det är därför av största vikt att etablera ett internationellt standardiseringsarbete som underlättar gränsöverskridande handel och harmoniserar godkännandeprocessen för bränsleceller. 1

3 IEC (International Electrotechnical Commission) bedriver internationellt standardiseringsarbete inom det elektrotekniska området. IEC bildades 1906 och 1946 träffades ett samarbetsavtal mellan IEC och ISO (International Organization for Standardization) som har ansvar för standardisering inom andra ämnesområden. Sedan 1990 följer IEC och ISO gemensamma regler för arbetet med och utformningen av internationella standarder. Det tekniska standardiseringsarbetet är organiserat i teknikområden och för varje område finns en ansvarig teknisk kommitté (TC) som kan ha olika underkommittéer (SC). När de förslag som arbetats fram av en TC/SC efter remissbehandling godkänts av nationalkommittéerna görs de tillgängliga i form av en internationell standard. Om inte konsensus har kunnat uppnås finns det också möjlighet att publicera andra typer av standardiseringsdokument; offentligt tillgänglig specifikation (publicly available specification), teknisk specifikation (technical specification), teknisk rapport (technical report), internationell arbetsgruppsöverenskommelse (international workgroup agreement), guide, industriteknisk överenskommelse (industry technical agreement) eller teknologitrendsbedömning (technology trend assessment). Nationalkommittéerna ska därefter i största möjliga utsträckning basera sina nationella standarder på IEC- och ISO-resultaten. Den internationella kommittén IEC/TC 105 Fuel Cell Technologies bildades 1999 och har till uppgift att utveckla enhetliga internationella standarder för bränslecellsteknik i alla typer av tillämpningar, såsom stationära bränslecellskraftverk, bränsleceller för transporttillämpningar (framdrift såväl som APU) samt bärbara tillämpningar. En lyckad kommersialisering av bränslecellsteknik kräver även standardisering av dess infrastruktur såsom garage, tankstationer och bränslelager. Standardiseringen av infrastrukturella aspekter tillhör inte IEC/TC 105s direkta ansvarsområde och man har därför upprättat nära samarbete med andra tekniska kommittéer som arbetar med infrastrukturella frågor. Dessa inkluderar: ISO/TC 197, Hydrogen Technologies ISO/TC 22 CS 21, Electric road vehicles IEC/TC 31, Electrical apparatus for explosive atmospheres European Hydrogen Association Den internationella kommittén Hydrogen Technologies ISO/TC 197 har till uppgift att utveckla enhetliga internationella standarder för system och anordningar för produktion, lagring, transport och användning av väte i både vätske- och gasform som energibärare. SEK är svensk nationalkommitté av IEC och fastställer svensk standard inom det elektrotekniska området, medan SIS är svensk nationalkommitté av ISO. Inom SIS och SEK har det inrättats en rad nationella tekniska kommittéer (TK) däribland SIS/TK 410 Hydrogenteknik respektive SEK/TK 105 Bränsleceller. Elforsk har via Energimyndighetens program för stationära bränsleceller uppdragit åt Catella Generics att under år 2005 bevaka det internationella standardiseringsarbetet på bränslecellsområdet. Bevakningsarbetet har genomförts via deltagande i de två 2

4 svenska tekniska kommittéerna SIS/TK 410 Hydrogenteknik och SEK/TK 105 Bränsleceller. SEK/TK 105 Bränsleceller bestod under år 2005 av representanter från Catella Generics och AGA/Linde medan SIS/TK 410 Hydrogenteknik bestod av representanter från Catella Generics, AGA/Linde, Svenska Gasföreningen Service, Räddningsverket, Konsumentverket, Volvo Technology, Arbetsmiljöverket, Sydkraft Gas, Vägverket och Energimyndigheten (under år 2006 har representanterna från Konsumentverket och Energimyndigheten utträtt ur SIS/TK 410 Hydrogenteknik). Den här rapporten syftar till att ge en översikt av det internationella standardiseringsarbetet på bränslecellsområdet. Fokus har lagts på standardisering av själva bränslecellstekniken medan fastställda och pågående standardiseringsdokument inom hydrogenteknik endast presenteras summariskt. 2. Bränsleceller Det internationella standardiseringsarbetet inom IEC/TC 105 sker inom ramen för publikationen IEC Standardiseringsarbetet bedrivs i 10 arbetsgrupper (working groups=wg): WG1 WG2 WG3 WG4 WG5 WG6 WG7 WG8 WG9 WG10 Terminology Fuel cell modules Stationary fuel cell power systems Safety Stationary fuel cell power systems Performance Stationary fuel cell power systems Installation Fuel cell system for propulsion and auxiliary power units (APU) Portable fuel cell power systems Micro fuel cell power systems Safety Micro fuel cell power systems Performance Micro fuel cell power systems Interchangeability Publikationen IEC har följande disposition: Part 1: Terminology Part 2: Fuel cell modules Part 3-1: Stationary fuel cell power plants Safety Part 3-2: Stationary fuel cell power plants Performance test methods Part 3-3: Stationary fuel cell power plants Installation Part 4: Fuel cell system for propulsion and auxiliary power units (APU) Part 5: Portable fuel cell appliances Safety requirements Part 6-1: Micro fuel cell power systems Safety Part 6-2: Micro fuel cell power systems Performance Part 6-3: Micro fuel cell power systems Interchangeability Del 1 är en fastställd teknisk specifikation medan del 2 och 3-2 är fastställda internationella standarder. Del 6-1 är en fastställd offentligt tillgänglig specifikation. De resterande delarna av IEC befinner sig på ett tidigare utvecklingsstadium av standardiseringsprocessen. 3

5 I detta avsnitt presenteras en översikt av innehållet i de olika delarna av IEC Arbetet med delarna 4 och 6-3 befinner sig i ett tidigt skede och har utelämnats i nedanstående översikt p g a brist på tillgänglig information. 2.1 Part 1: Terminology IEC publicerades i mars 2005 och beskriver den terminologi som tillämpas i alla delar av IEC och som därmed är gemensam för alla tillämpningsområden. Terminologin anges i form av diagram (generaliserade diagram över stationära, bärbara och mikrobränslecellssystem) och definitioner (t ex acceptance test, alkaline fuel cell och anode). 2.2 Part 2: Fuel cell modules IEC publicerades i juli 2004 och beskriver minimikrav på säkerhet och prestanda för bränslecellsmoduler. Bränslecellsmoduler definieras här som electrochemical devices which convert continuously supplied fuel, such as hydrogen or hydrogen rich gases, alcohols, hydrocarbons, and oxidants to d.c. power, heat, water and other by-products. Det betyder att en bränslecellsmodul är en subenhet som kan innehålla mer än bara själva bränslecellsstacken, t ex sensorer. Standarden tillämpas på bränslecellsmoduler med olika elektrolytkemi: AFC PEM, inklusive DMFC PAFC MCFC SOFC Standarden behandlar betingelser som kan orsaka fara för personskador eller materiella skador utanför själva bränslecellsmodulen. Standarden kan dock inte tillämpas på bränsleceller för vägfordon. En rad aspekter beaktas: läckage trycksatt drift brand och antändning säkerhetssystem rördragning och passningar elektriska komponenter och anslutningar spänningsförande delar isolerande material och genomslagsfältstyrka tålighet mot chock och vibration övervakningssystem I standarden beskrivs 12 typtester och 2 rutintester. Typtesterna ska göras på ett begränsat antal för produktionen representativa provobjekt medan rutintesterna ska utföras på alla producerade enheter, antingen i samband med eller efter produktion. Nedan följer en listning av de olika typ- och rutintesterna: Typtester 4

6 gasläckage normal drift högsta tillåtna tryck trycktesting av kylsystemet elektrisk överbelastning övertryck genomslagsfältstyrka differentialtryck gasläckage (repetition av test 1) normal drift (repetition av test 2) antändbar koncentration onormala driftsbetingelser o bränsleutarmning o syre-/oxidationsmedelsutarmning o kortslutning o avstängd kylning o läckage mellan anod och katod o nedkylning/upptining Rutintester täthet genomslagsfältstyrka Standarden innehåller även krav på märkning, dokumentation för systemintegrering, installation, drift, underhåll och reservdelar. 2.3 Part 3-1: Stationary fuel cell power plants Safety IEC behandlar säkerhet för stationära bränslecellssystem och inkluderar betingelser som kan orsaka fara för personskador eller materiella skador utanför bränslecellssystemet. Ett typiskt stationärt bränslecellssystem antas bestå av följande delsystem: bränsleprocessorsystem oxidationsmedelsprocessorsystem termiskt system vattenbehandlingssystem effektkonditionering styr- och reglersystem ventilationssystem bränslecellsmodul internt energilager Dokumentet omfattar bränslecellssystem för såväl inomhus- som utomhusbruk. Dessutom omfattas både gas- och vätskeformiga bränslen av standarden. En rad designaspekter och förebyggande åtgärder m a p säkerhet beaktas: materialval trycksatt utrustning och rördragning skydd mot brand och explosion 5

7 elektrisk säkerhet elektromagnetisk kompatibilitet kontrollsystem pneumatiskt och hydrauliskt drivna system ventiler roterande utrustning skåp termiskt isolerande material anslutning till elnät och vattenförsörjning I dokumentet beskrivs 14 typtester och 4 rutintester: Typtester läckage hållfasthet normal drift elektrisk överbelastning dielektriska tester nedstängningsparametrar driftskaraktäristik hos brännare styrning och reglering av brännare och katalytisk oxidationsreaktor avgastemperatur yt- och komponenttemperatur vind regn CO emissioner läckage (repetition av test 1) Rutintester gasläckage normal drift dielektriska tester läckage av kylmedium Dokumentet innehåller även krav på märkning, dokumentation för installation, drift och underhåll. 2.4 Part 3-2: Stationary fuel cell power plants Performance test methods IEC publicerades i mars 2006 och beskriver metoder för att mäta prestanda hos stationära bränslecellssystem. Standarden tillämpas på bränslecellssystem med olika elektrolytkemi: AFC PEFC PAFC MCFC SOFC Standarden beskriver mät- och beräkningsmetodiken bakom 19 olika tester: 6

8 Driftsparametrar elektrisk uteffekt olinjär distorsion bränslekonsumtion oxidationsmedelskonsumtion elektrisk verkningsgrad värmeåtervinningsverkningsgrad total verkningsgrad responstider för uteffekt uppstart- och nedstängningskaraktäristik konsumtion av reningsgas vattenkonsumtion spillvärme Miljöaspekter Partikelemission SO x och NO x emission CO 2 och CO emission total kolväte- och vätgasemission ljud vibration utgående vattenkvalité 2.5 Part 3-3: Stationary fuel cell power plants Installation IEC beskriver minimikrav på säkerhet i samband med installation av stationära bränslecellssystem som är konstruerade i enlighet med , Stationary fuel cell power plants Safety. Dokumentet täcker inte bränslen och bränslelager samt uppkoppling mot allmänna elnätet. De stationära bränslecellssystemen delas in i tre grupper, med delvis skilda krav på säkerhet: små (<10 kw el netto), medel ( kw el netto) och stora system (>500 kw el netto). Dokumentet är begränsat till betingelser som kan orsaka fara för personskador eller materiella skador utanför själva bränslecellssystemet. 2.6 Part 5: Portable fuel cell appliances Safety and performance requirements IEC beskriver minimikrav på säkerhet och prestanda för portabla bränslecellssystem. Ett portabelt bränslecellssystem definieras som ett bränslecellssystem som är flyttbart och som har en nominell spänning på <600 V AC eller <850 V DC. För att definieras som ett portabelt bränslecellsystem får inte bränslecellssystemet användas i transporttillämpningar (framdrift eller APU) eller kunna klassas som ett mikrobränslecellssystem. Dokumentet beaktar bränsleceller som drivs av någon/några av följande bränslen: naturgas vätskeformiga kolväten såsom propan och butan vätskeformiga alkoholer såsom metanol och etanol bensin 7

9 diesel fotogen väte metaller, t ex aluminium och zink kemiska hydrider Ett typiskt portabelt bränslecellssystem antas bestå av följande delsystem: bränsleprocessorsystem oxidationsmedelsprocessorsystem termiskt system vattenbehandlingssystem effektkonditioneringssystem styr- och reglersystem ventilationssystem bränslecellsmodul internt bränslelager internt energilager Dokumentet beskriver en rad designkrav och förebyggande åtgärder m a p säkerhet: materialkompatibilitet skydd mot mekaniska risker skydd mot toxiska bränslen skydd mot explosionsrisker skydd mot elektrisk chock skydd mot brand skydd mot höga temperaturer skydd mot elektromagnetisk störning Dessutom ingår en rad konstruktionskrav på systemets olika komponenter: bränslelager bränsleprocessor förpackning batterier trycksatt utrustning och rördragning slangar automatiska avstängningsventiler regulatorer styr- och reglerutrustning filter motorer bränslepumpar Dokumentet innehåller 22 typtester: läckage (vätskedrivna system) 8

10 antändbar gaskoncentration yttemperatur komponenttemperatur vägg, golv och taktemperatur genomslagsfältstyrka läckströmmar onormala/ driftsbetingelser draghållfasthet isolerande material jordning tanktryck stabilitet slagtålighet fritt fall märkningsmaterialens vidhäftningsförmåga och läsbarhet ackumulering av antändbar gas utarmning av syre utsläpp av CO emissioner vind högsta tillåtna tryck spänningsavlastning Dokumentet innehåller även krav på märkning samt dokumentation för installation, drift och underhåll. 2.7 Part 6-1: Micro fuel cell power systems Safety IEC publicerades i februari 2006 och fokuserar på konsumentsäkerhet och tillämpas på bränslecellssystem och bränslelager som man enkelt kan bära med sig, som levererar DC uteffekt till konsumentelektronik och vars nominella spänning och uteffekt inte överstiger 60 V DC respektive 240 V AC. Dokumentet täcker bränsleceller som drivs med metanol eller metanol/vattenlösningar och bränslecellsstackar baserade på PEM- och DMFC-teknik. Tilläggskrav och avvikande krav för andra bränslen (myrsyra, väte lagrad i metallhydrid, reformat från metanol, metanolklatrat, borhydrid samt butan och butan/propanblandningar) finns redovisade i bilagor. Mikrobränslecellssystem antas bestå av: en mikrobränslecellseffektenhet en bränsleampull en vattenampull (valfritt) en avfallsampull (valfritt) Dokumentet beskriver ett antal material- och konstruktionskrav för mikrobränslecellssystemets olika komponenter. I dokumentet beskrivs 13 olika typtester, se tabell 1. 9

11 Tabell 1 Typtester inom IEC Typtest Testobjekt 1 Differentialtryck Bränsleampull och mikrobränslecellseffektenhet eller mikrobränslecellssystem 2 Vibration Bränsleampull och mikrobränslecellseffektenhet eller mikrobränslecellssystem 3 Temperaturcykling Bränsleampull och mikrobränslecellseffektenhet eller mikrobränslecellssystem 4 Höga temperaturer Bränsleampull 5 Fritt fall Bränsleampull och mikrobränslecellseffektenhet eller mikrobränslecellssystem 6 Tryckbelastning Bränsleampull, delvis fylld bränsleampull, och mikrobränslecellseffektenhet eller mikrobränslecellssystem 7 Yttre kortslutning Mikrobränslecellseffektenhet eller mikrobränslecellssystem 8 Yt- och avgastemperatur Mikrobränslecellseffektenhet eller mikrobränslecellssystem 9 Långtidslagring Bränsleampull 10 Anslutning vid hög temperatur Bränsleampull och mikrobränslecellseffektenhet 11 Inre tryck Mikrobränslecellseffektenhet och tom, trycksatt bränsleampull 12 Cyklad anslutning Bränsleampull och mikrobränslecellseffektenhet 13 Emissioner Mikrobränslecellsleffektenhet eller mikrobränslecellssystem Test 1-3 måste genomföras sekventiellt. Test 1 Differentialtryck avser att simulera förhöjt inre tryck eller lågt yttre tryck. Test 10 Anslutning vid hög temperatur simulerar in- och urkoppling av bränsleampullen till själva effektenheten. Typtesterna säkerställer att mikrobränslecellssystemet, mikrobränslecellseffektenhet och bränsleampullen är säkra vid normala driftsförhållanden. Utöver typtesterna innehåller standarden tester vid onormala driftsbetingelser som utformas utifrån en FMEA analys för det specifika systemet. Dokumentet innehåller även krav på märkning samt användarinstruktioner. 2.8 Part 6-2: Micro fuel cell power systems Performance IEC befinner sig i ett mycket tidigt utvecklingsstadium och fokuserar på testmetoder för utvärdering av mikrobränslecellssystems prestanda. Dokumentet täcker bränslen som baseras på metanol eller metanol/vattenlösningar och bränslecellsstackar baserade på PEM- och DMFC-teknik. Testmetoderna delas in i två kategorier; effektkaraktäristik och bränslekonsumtion. Testerna kring effektkaraktäristik inkluderar: 10

12 tid för uppstart kontinuerlig last, konstant ström intermittent last varierande last last efter lång vila låg och hög temperatur olika fuktighet hög höjd EMI vibration och chock 3. Hydrogenteknik Den internationella kommittén ISO/TC 197 Hydrogen Technologies har fastställt sammanlagt fem internationella standardiseringsdokument: ISO 13984:1999, Liquid hydrogen Land vehicle fuelling system interface ISO 14687:1999, Hydrogen fuel Product specification ISO/PAS 15594:2004, Airport hydrogen fuelling facility operations ISO/TR 15916:2004, Basic considerations for the safety of hydrogen systems ISO 17268:2006, Compressed hydrogen surface vehicle refuelling connection devices Ett antal nya standarder inom området hydrogenteknik är under utveckling. Tre av dessa fokuserar på transporttillämpningar: ISO 15869, Gaseous hydrogen and hydrogen blends Land vehicle fuel tanks Part 1: General requirements Part 2: Particular requirements for metal tanks (type 1) Part 3: Particular requirements for hoop wrapped composite tanks with a metal liner (type 2 Part 4: Particular requirements for fully wrapped composite tanks with a metal liner (type 3) Part 5: Particular requirements for fully wrapped composite tanks with a non-metallic liner (type 4) ISO 23273, Fuel cell road vehicles Safety specifications Part 1: Vehicle functional safety Part 2: Protection against hydrogen hazards for vehicles fuelled with compressed hydrogen Part 3: Protection of persons against electric shock Dessutom pågår ett intensivt standardiseringsarbete inom vätelagring, vätgasgenerering, bränsleprocessorteknologi och vätedetektering: ISO 13985, Liquid hydrogen Land vehicle fuel tanks ISO , Hydrogen fuel Product specification - Hydrogen fuel for cells ISO 16110, Hydrogen generators using fuel processing technologies Part 1: Safety Part 2: Procedures to determine efficiency 11

13 ISO 16111, Transportable gas storage devices - Hydrogen absorbed in reversible metal hydride ISO 20012, Gaseous hydrogen Service stations ISO 22734, Hydrogen generators using water electrolysis process Part 1: Industrial and commercial applications Part 2: Residential applications ISO 26142, Hydrogen detector 12