Sjöfarten står för 3 % av världens totala växthusgaser och är idag högst beroende av fossila bränslen. Ett alternativ för att gå över till en fossilfri flotta är användning av bränsleceller och vätgas som drivmedel. Om vätgasen produceras från elektrolys med förnyelsebara energikällor så är driften utsläppsfri och koldioxidneutral. Bränsleceller kan användas i många olika sammanhang, men har ännu inte slagit igenom med full kraft. En anledning till detta är livslängden som är för kort. För att sjöfarten ska kunna implementera bränslecellsdrift behöver nedbrytningen av bränslecellen bli vidare utforskad och motverkad. Syftet med detta examensarbete var att hitta de mest signifikanta nedbrytningsmekanismerna för sjöfarten samt att bygga en modell för att förutspå livslängden utifrån lastprofiler från fartyg. Rapportens avgränsningar var att enbart studera PEM-bränsleceller tack vare dess höga energitäthet och att teknologin är närmast marknaden för mobila applikationer. En litteraturstudie genomfördes för att fastställa de viktigaste nedbrytningsmekanismerna samt de faktorer som begränsar livslängden. Dessa bestämdes till start/stop cykler samt lastcykler vilka försämrar konduktiviteten i membranet samt minskar den elektrokemiska ytarean. En empirisk modell från experiment från litteraturen etablerades för att hitta relationen mellan parametrarna konduktivitet och elektrokemisk ytarea som funktion av start/stop cykler respektive lastcykler. En Comsol-modell användes för att utvärdera bränslecellens prestanda med dessa försämrade parametrar. Två lastprofiler analyserades och tolkades som antal start/stop cykler samt lastcykler för att utvärdera prestandan som funktion av antal år i drift. Båda fallen var i drift till dess att prestandan minskat med 20 % utvärderat vid strömtätheten 0.6 A/cm2. Båda lastprofilerna var utvärdera med olika körstrategier för att jämföra den modellerade livslängden beroende på ingångsvärden. Den första lastprofilen delades in i Case 1a och Case 1b där antalet start/stop cykler och lastcykler varierade. Resultatet visade att antalet timmar i drift mer än tredubblades i Case 1b där båda ingående indata hade minskats. Case 2 delades upp i tre olika körstrategier där Case 2a var en referens som jämfördes mot Case 2b respektive Case 2c. Skillnaden mot Case 2b var att antalet start/stop cykler per dag multiplicerades med faktor 4. Resultatet från modellen var att livstiden minskade från 6 till 4 år. Vidare utvärderades Case 2c där istället antalet lastcykler dividerades med faktor 4, allt annat identiskt med Case 2a. Utfallet var en ökad livslängd från 6 år till 11 år, med totalt 32 032 timmar i drift. Denna livslängd kan jämföras med kommersialiserade marina produkter från Ballard och Powercell, där livslängden är 30 000 respektive 20 000 timmar i drift. Sammanfattningsvis kan det konstateras att både start/stop cykler och lastcykler bryter ner bränslecellen och därmed minskar dess prestanda. Lastcykler var den faktor som var mest förödande gällande livslängden. Den modellerade livslängden på 32 032 timmar indikerar att den empirisk modellen tillsammans med Comsol-modellen genererade realistiska resultat. Slutligen kan sägas att ett område för framtida forskning inom ämnet innefattar lastcykler eftersom denna hade störst påverkan på modellen. Att särskilja olika typer av lastcykler och koppla till olika degradering skulle skapa än mer förståelse för livslängden. Då denna studie genomfördes på bränslecellsnivå skulle framtida studier kunna inkludera att analysera degradering på systemnivå för att få mer insikt i dessa processer. / The shipping industry emits 3 % of the global GHG-emissions and is highly dependent on fossil fuels. One alternative to decarbonise the sector is by utilising hydrogen in fuel cells. The propulsion is free from emissions if hydrogen is produced from renewables. The fuel cell technology can be applied in various applications but have not been fully commercialised. One of the biggest bottlenecks for fuel cell technology is the durability that needs to be improved. In order for marine vessels to implement hydrogen propulsion, the degradation need to be further understood and mitigated. The purpose of this thesis was to assess the most significant degradation mechanisms for marine applications and to build a model to evaluate the lifetime depending on load profiles. The scope of the thesis was to include PEMFCs since they have the highest power density and are closest to commercialisation for transport applications. A literature review was conducted to assess the most important degradation mechanisms and operating conditions that limits the lifetime, which concluded in start/stop cycling and load cycling. These conditions deteriorate the membrane conductivity and the electrochemical surface area. An empirical model based on experimental data from the literature was conducted to find relationships for conductivity and ECSA as function of start/stop cycling and load cycling, respectively. A Comsol model was established to evaluate performance reduction with degraded parameters. Two different load cycles were interpreted as number of start/stop cycles and load cycles in order to simulate the degradation. The output was polarization curves as function of operating years. Each case was operated until a performance reduction of 20 % was obtained at the current density of 0.6 A/cm2. Both load profiles were analysed with different operation strategies to compare the resulting lifetime. The first load curve was divided into Case 1a and Case 1b where start/stop cycles and load cycles were altered. The results showed that the lifetime in operation hours was more than three-folded in Case 1b when the number of start/stop cycles and load cycles was reduced. Case 2 was divided into three operating strategies. For comparison with Case 2a, the number of start/stop cycles per day in Case 2b was increased by a factor of 4. The result was that the lifetime declined from 6 to 4 years. Furthermore, Case 2c evaluated the lifetime if the number of load cycles per day decreased by a factor of 4, all else being equal to Case 2a. The outcome was an increment in lifetime from 6 to 11 years, with a total of 32 032 hours of operation. This lifetime can be compared to commercialised products from Ballard and Powercell with lifetimes of 30 000 and 20 000 operating hours, respectively. Conclusively, the simulations showed that both start/stop cycling and load cycling deteriorates the fuel cell performance. Load cycling is the operating condition that cause the most severe degradation. Moreover, the modelled lifetime of 32 032 hours indicates that the empirical model in combination with the Comsol model generate realistic lifetimes. Finally, since load cycling had the most vital impact on the lifetime, one of the topics for future research would be to distinguish different types of load cycles and connect to separate degradation outcomes. Since the model was on fuel cell level, future work could also include systems effects such as ripple current or distributions within fuel cell stacks.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-299446 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Östling, Erik |
| Publisher | KTH, Kemiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2021:164 |
Page generated in 0.0032 seconds