Polttokennojen ominaisuudet ja sähkötekninen mallintaminen

Abstract

Uusiutuvan energiantuotannon tarpeen ja uusiutuvan vedyn tuotannon kasvaessa kiinnostus polttokennoihin on lisääntynyt. Tämä näkyy myös meriliikenteessä, jossa polttokennoja voidaan jo käyttää joko pääenergiantuotannossa tai lisätehona. Polttokennot eivät ole monien muiden uusiutuvien energiantuotantotapojen tapaan riippuvaisia säästä tai vuorokaudenajasta. Niillä voidaan siis tuottaa energiaa teoriassa niin kauan kuin polttoainetta syötetään. Polttokennoteknologioita on useita ja niiden toimintalämpötilat vaihtelevat suuresti. Niiden tuottamaa lämpöä voidaan myös hyödyntää monin eri tavoin käyttökohteesta riippuen. Polttokennot yhdistetään sähköverkkoon yleensä DC/DC-muuntimella ja vaihtosuuntaajalla. Tasajännitteisessä verkossa vaihtosuuntaajaa ei tarvita.

Diplomityö tehtiin Yaskawa Environmental Energy/The Switchille. Työn tavoitteena oli tehdä laaja kirjallisuuskatsaus eri polttokennoteknologioista ja polttokennojärjestelmistä. Tämän lisäksi tavoitteena oli selvittää polttokennojärjestelmien niin yleisiä kuin myös sähköisiä ominaisuuksia, polttokennojen käyttöä meriliikenteessä ja tutkia DC/DC-muuntimia ja virtasäröä polttokennojärjestelmässä. Kirjallisuuskatsauksen lisäksi työssä mallinnettiin erään ammoniakilla toimivan kiinteäoksidipolttokennopinon dynaamista toimintaa polttoaineensyötön ja kuormituksen muutoksissa.

Työn tuloksena saatiin selville nykymarkkinoiden potentiaalisimmat polttokennoteknologiat ja käsiteltiin syvällisemmin nopeammin reagoivia matalan lämpötilan protoninvaihtopolttokennoja ja paremman hyötysuhteen omaavia korkean lämpötilan kiinteäoksidipolttokennoja. Lisäksi tarkasteltiin lyhyesti myös protoninvaihtopolttokennoista johdettuja teknologioita. Polttokennojärjestelmät todettiin osittain kilpailukykyisiksi muille markkinoilla oleville energiantuotantotavoille ja energiavarastoille muun muassa suorituskyvyn ja hyötysuhteen osalta. Polttokennoilla on kuitenkin yleisesti erittäin vaihteleva jännitealue ja ne ovat hitaita käynnistymään sekä reagoimaan tehontarpeen muutoksiin. Tästä syystä esimerkiksi laivoissa käytetäänkin niiden rinnalla akustoja vastaamaan nopeisiin tehomuutoksiin. DC/DC-muuntimen tutkimisessa perehdyttiin sen eri toteutustapoihin ja polttokennokäytössä tarvittaviin ominaisuuksiin. Virtasärön tutkimisessa selvisi, että polttokennot ovat herkkiä pääasiassa vaihtosuuntaajan aiheuttamalle matalataajuiselle (alle kilohertsin) virtasärölle. DC/DC-muunnin tuottaa pääasiassa korkeataajuista (useiden kilohertsien) virtasäröä, joka on matalataajuista virtasäröä harmittomampaa. Kiinteäoksidipolttokennopinon dynaamisen toiminnan mallinnuksessa todettiin, että viiveettömät muutokset aiheuttavat jännite- ja virtapiikkejä, mutta normaalissa toiminnassa ilmenevillä muutosnopeuksilla ei synny merkittäviä jännite- tai virtapiikkejä.

As the need for renewable energy production and the production of renewable hydrogen increases, the interest towards fuel cells is also increasing. This is also seen in maritime transport, where fuel cells can already be used for either main energy production or as additional power. Fuel cells, like many other renewable energy production methods, are not dependent on weather or time of the day. They can thus theoretically produce energy as long as fuel is supplied. There are several fuel cell technologies and their operating temperatures vary greatly. The heat they generate can also be utilized in many different ways depending on the application. Fuel cells are connected to electrical network usually with a DC/DC converter and an inverter. In a DC network, an inverter is not required.

This thesis was done for Yaskawa Environmental Energy/The Switch. The aim of the work was to make an extensive literature review of different fuel cell technologies and systems. Also, the aim was to investigate both the general and electrical properties of fuel cell systems, the use of fuel cells in maritime transport, and to study DC/DC converters and current ripple in a fuel cell system. In addition to the literature review, the dynamic operation of an ammonia fed solid oxide fuel cell stack in changes of both fuel supply and load was modeled.

As a result of the work, the most potential fuel cell technologies on the present market were identified, and faster-reacting low-temperature proton exchange fuel cells and higher-efficiency high-temperature solid oxide fuel cells were discussed in more depth. In addition to the discussion, technologies derived from proton exchange fuel cells were also briefly reviewed. Fuel cell systems were found to be partially competitive with other energy production methods and energy storages on the market, inter alia, in terms of performance and efficiency. However, fuel cells generally have a very variable voltage range and are slow to start and respond to changes in power demand. For this reason, in maritime applications, for example, batteries are used alongside them to meet rapid power needs. The study of the DC/DC converter looked at its different topologies and properties required in fuel cell applications. Examination of current ripple revealed that fuel cells are sensitive to low frequency (less than a kilohertz) current ripple caused mainly by the inverter. The DC/DC converter mainly produces high frequency (several kilohertz) current ripple, which is less harmful than low frequency current ripple. In the modeling of dynamic operation of solid oxide fuel cell stack, it was found that instant changes cause voltage and current spikes, but the rates of change occurring in normal operation do not cause significant voltage or current spikes.