BRÄNSLECELLER nr 5/05 Elforskprojekt nr 2328 Anpassning och karaktärisering av bränslecell

Transkript

1 BRÄNSLECELLER nr 5/05 Elforskprojekt nr 2328 Anpassning och karaktärisering av bränslecell Monika Råberg-Hellsing, Volvo Technology AB

2 Innehåll SAMMANFATTNING BAKGRUND MÅL RESULTAT Specifikation Testresultat cell Testresultat stack Testresultat system SLUTSATSER DISKUSSION... 6

3 Sammanfattning Denna rapport beskriver det arbete som utfördes i projektet Anpassning och karaktärisering av bränslecell elforskprojekt nummer Arbetet utfördes av Volvo Technology AB under Detta arbete bestod i att tillsammans med KTH ta fram en specifikation för en bränslecellstack som skulle levereras till KTH och att anpassa och verifiera designen för att passa de driftsförhållanden som KTH tänkte använda. Arbetet innefattade även leverans och installation hos KTH, samt verifikation av funktion. Denna verifikation utfördes vid två tillfällen, dels acceptanstestades stacken i Volvos laboratorium vid tester där representanter från KTH närvarade och dels så togs stacken i drift i KTHs reformeranläggning med representanter från Volvo närvarande. Stacken fungerade bra och uppfyllde den specifikation som ställts upp tillsammans med KTH. 1

4 1. Bakgrund Volvo jobbar idag inom området bränslecellutveckling för olika applikationer inom Volvos produktprogram. Bränsleceller har en stor potential på grund av deras höga verkningsgrad och flexibilitet när det gäller användning av bränsle. För att utveckla bränsleceller och bränslecellsystem har Volvo bildat bolaget Powercell Sv AB. Den applikation som Powercell fokuserar i första hand är APU för lastbil. Mot bakgrund av detta åtog sig Volvo/Powercell att leverera en stack till kund för att få erfarenhet hur stackteknologin uppför sig i en applikation tillsammans med en reformer i ett integrerat system. Genom den förfrågan om leverans av bränslecellstack som Volvo/Powercell fick från PEFC-anläggningen på KTH, har Volvo/Powercell haft en möjlighet att anpassa och testa bränslecellteknologin för en stationär applikation med naturgas som bränsle. Bränslecellstacken som Volvo/Powercell har utvecklat bygger på den stackkonstruktion som togs fram i först fasen det MISTRA-stödda programmet Jungner Center. I detta program utvecklades en 1 kw vätgas-bränslecellstack med flera intressanta egenskaper. Volvo/Powercell vidareutvecklade sedan denna stack så att den nu kan användas för reformat, det bränsle som vi ser i första hand är samma som används för framdrivning av fordonet, diesel. 2. Mål Målet för projektet var att anpassa stackdesignen för KTHs driftsparametrar och bygga och leverera en stack till KTH, samt att driftsätta stacken såväl i testbänk på Volvo som i KTHs reformersystem. 3. Resultat 3.1 Specifikation En specifikation för stacken togs fram i samarbete med KTH. Denna specifikation speglar de driftsbetingelser som stacken skulle köras under och den har tidigare distribuerats till Elforsk i samband med att stacken levererades till KTH. Kravet på effekt var att stacken skulle kunna leverera 3 kw vid 0,7 V cellspänning för de driftsbetingelser som systemet kunde köras under. Det som var det tuffaste kravet var att naturgasreformern bara kunde ge ett tryck av 0,3 bar(g) in till sidan på stacken. Andra begränsningar var att systemet inte kunde köras varmare än 75ºC och att önskvärd stacktemperatur låg någonstans mellan 60ºC och 75ºC. Däremot var det inga problem att gå upp något i stökiometri vare sig på - eller sidan. Likaså var det möjligt att gå högre i tryck än 0,3 bar(g) på sidan. Däremot fanns ett krav att tryckdifferensen mellan och inte fick överstiga 0,5 bar. Detta innebar att trycket på sidan då kunde tillåtas gå upp till 0,8 bar(g). 2

5 3.2 Testresultat cell För stacken sattes speciella tester (K-serien) upp för att verifiera att celldesignen skulle klara att köras vid ett lågt tryck på sidan (0,3 bar(g)). K-serien speglar de krav på stacken som reformersystemet ställer. För K3, K7 och K8 så används så högt tryck på sidan som man kan, d.v.s. 0,8 bar(g). Eftersom det fanns en viss osäkerhet om det skulle gå att köra med så hög tryckdifferens som 0,5 bar mellan och under längre tid så gjordes även ett test med lägre tryckdifferens (K6). Resultaten från dessa tester jämfördes med standardtester (E-serien). I matrisen nedan visas vid vilka driftsbetingelser som olika tester kördes i K-serien respektive E- serien, se tabell 1 och tabell 2. Dessa tester utvärderades för Volvos nya celldesign och dessa tester redovisas i figur 1 nedan. Tabell 1. Testbetingelser för K-serien. Exp No temp gas dpt gas dpt cool Uppfukt kat [%] Uppfukt an [%] Lambda Lambda Gastryck [bar(a)] Gastryck [bar(a)] COhalt [ppm] H2- halt [%] Air Bleed [%] CO2 N2 K ,5 1,8 1, K ,5 1,8 1, K ,5 1,8 1, K ,5 1,5 1, Tabell 2. Testbetingelser för E-serien. Exp No temp gas dpt gas dpt cool Uppfukt kat [%] Uppfukt an [%] Lambda Lambda Gastryck [bar(a)] Gastryck [bar(a)] COhalt [ppm] H2- halt [%] Air Bleed [%] CO2 N2 E , E ,8 1, E ,5 1,5 1,

6 Polarisationskurvor för cell med Volvos nya celldesign 1 Cellspänning [V] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 E1 E20 E17 K7 K8 K3 K6 Poly. (E1) Poly. (E20) Poly. (E17) Poly. (K7) Poly. (K8) Poly. (K3) Poly. (K6) 0 Strömtäthet (i ) Figur 1. Polarisationskurvor för olika driftsbetingelser i cell. En mera detaljerad figur av det intressanta spänningsområdet visas i figur 2. Polarisationskurvor för cell med Volvos nya celldesign 1 Cellspänning [V] 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 E1 E20 E17 K7 K8 K3 K6 Poly. (E1) Poly. (E20) Poly. (E17) Poly. (K7) Poly. (K8) Poly. (K3) Poly. (K6) 0,5 Strömtäthet (i ) Figur 2. Uppförstoring av polarisationskurvor för olika driftsbetingelser i cell. De slutsatser som drogs utifrån testerna var att det gick bra använda ett differenstryck om 0,5 bar mellan och och att det var att rekommendera eftersom det påverkade prestandan till det bättre. 3.3 Testresultat stack I samråd med KTH kom vi överens om att accpetanstesterna på stacken skulle köras med förhållandet K3 (test 2) och K7 (test 3). Dessutom kördes även två tester med 4

7 ren vätgas (test 1 och test 5) på en vid olika tryck, samt en test med betingelser som K7 förutom ett högre tryck (test 4). Stacktesterna kördes under 22 och 23 november 2004 och personal från KTH närvarade. I figur 3 visas resultatet från stacktesterna och i figur 4 visas en uppförstoring av K3 och K7 runt 0,7 V, 3 kw. Det man kan se är att man uppnår 3 kw vid 0,7 V vid K7 och nästan uppnår 3 kw vid K3. Cellspänning [V] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Polarisationskurvor för stack (40 celler) Elektrisk Effekt [W] Test 1 - H2, 60 C, 1 barg Test 2 - K3: Reformate, 10 ppm CO, 60 C Test 3 - K7: Reformate, 10 ppm CO, 75 C Test 4 - Reformate, 100 ppm CO, 75 C, 1 barg Test 5 - H2, 75 C, 2 barg P - test 1 P - test 2 P - test 3 0, P - test 4 0 Strömtäthet (i ) 0 P - test 5 Figur 3. Stacktester vid olika driftsbetingelser. Polarisationskurvor för stack (40 celler) Cellspänning [V] 0, ,718 0, ,714 0, ,71 0, ,706 0, ,702 0, ,698 0, ,694 0, ,69 0, ,686 0, ,682 0, Strömtäthet [ma/cm2] Elektrisk Effekt [W] Test 2 - K3: Reformate, 10 ppm CO, 60 C Test 3 - K7: Reformate, 10 ppm CO, 75 C P - test 2 P - test 3 Figur 4. Uppförstoring av K3 och K7 i runt 0,7 V och 3 kw. 5

8 3.4 Testresultat system Under våren 2005 driftsattes stacken i KTHs reformersystem med personal från Volvo närvarande. Anledningen till att detta inte skedde tidigare var att KTH hade problem med sitt mät- och styrsystem. Först när dessa problem var åtgärdade kunde testerna starta. Driftsättningen gick utan problem och stacken kördes i KTHs system. Eftersom Volvo inte äger resultaten från denna testning kan vi inte visa några resultat. 4. Slutsatser Volvo och KTH genomförde acceptanstester 22 och 23 november, 2004 och kom fram till att stacken uppfyllde specifikationen, d.v.s. att den gav 3 kw vid 0,7 V vid de driftsbetingelser som var relevanta för KTHs reformersystem (K3 och K7). Acceptanstestprotokoll har tidigare skickats till Elforsk i samband med leverans av stack till KTH. Tester med stacken i reformersystemet kördes sedan under våren 2005 med personal från Volvo närvarande vid driftsättningen. Denna gick utan problem. 5. Diskussion Volvo har levererat en stack med mycket goda prestanda vid låga driftstryck. En effekt av 3 kw vid 0,7 V uppnåddes utan problem. Vid högre tryck och ren vätgas förbättras effektprestandan påtagligt (runt 5,5 kw vid 0,7 V). Det som är utmärkande för Volvos stackdesign är att den är mycket robust och klarar att arbeta inom ett brett intervall av driftbetingelser, något som illustreras väl av figur 3 ovan. 6