Control of methanol fuelled HTPEM fuel cell system
Authors
Sahlin, Simon Lennart ; Sørensen, Jesper Kjær
Term
2. term
Education
Publication year
2009
Pages
198
Abstract
This project examines the efficiency and control of a methanol-fueled high-temperature PEM fuel cell system. A PEM (proton exchange membrane) fuel cell produces electricity from hydrogen; operating at higher temperature can make the system more tolerant to fuel impurities. The system includes an evaporator, a reformer with burner, and a fuel cell stack, and it is designed for two modes: startup and steady operation. During startup, the burner uses pure methanol, and the components are heated by convection (heat transfer through moving air). A nonlinear model simulates both startup and running. In the running stage, the reformer performs endothermic steam reforming (a heat-demanding reaction that converts methanol and steam into hydrogen) and is heated by a burner that burns excess hydrogen from the fuel cell’s exhaust. To maintain a constant hydrogen stoichiometry in the exhaust gas (the ratio of reactants), the project presents an estimator. It shows good theoretical results but has not been tested on hardware. A feedforward control approach (predictive dosing based on the desired setpoint) is used to supply the reactions in both the reformer and the stack. The system’s electrical efficiency is calculated to be about 18% based on the higher heating value of methanol. The nonlinear model is linearized and used to test a PI controller (proportional–integral). The project also investigates a fuel estimator based on current density (a measure of electrical load), and controller parameters are obtained via a mathematical parameter search routine in MATLAB. To study hydrogen stoichiometry, experiments simulate the fuel cell exhaust using a mass flow controller. The hydrogen needed to keep the reformer temperature constant is found by varying the hydrogen flow to the burner, and the nonlinear model’s hydrogen stoichiometry is adjusted until the model shows the same amount of excess hydrogen as in the experiments.
Dette projekt undersøger virkningsgrad og styring af et metanoldrevet højtemperatur PEM-brændselscellesystem. En PEM-brændselscelle (protonudvekslingsmembran) producerer elektricitet fra brint; høj temperatur kan gøre systemet mere robust over for brændstofrester. Systemet består af en fordamper, en reformer med brænder og en brændselscellestak og er designet til to tilstande: opstart og drift. I opstartsfasen bruger brænderen ren metanol, og komponenterne opvarmes ved konvektion (varmeoverførsel gennem luftstrømme). En ikkelineær model simulerer både opstart og drift. I driftsfasen udfører reformeren endoterm dampreformering (en reaktion, der kræver varme, hvor metanol og vanddamp omdannes til brint) og opvarmes af en brænder, der forbrænder overskudsbrint fra brændselscellens udstødning. For at holde en konstant brintstøkiometri i udstødningsgassen (forholdet mellem reaktionsgasserne) præsenteres en estimator. Den viser gode teoretiske resultater, men er ikke afprøvet på et fysisk system. En feedforward-tilgang (forudsigende regulering, der doserer efter et ønsket setpunkt) bruges til at forsyne reaktionerne i både reformer og stak med de rette mængder. Den elektriske virkningsgrad for systemet beregnes til cirka 18 % baseret på metanols højere brændværdi. Den ikkelineære model lineariseres og bruges til at teste en PI-regulator (proportional-integral). Projektet undersøger også en brændstofestimator baseret på strømtæthed (elektrisk belastning), og regulatorparametre findes via en matematisk parametresøgningsrutine i MATLAB. For at få viden om brintstøkiometri udføres forsøg, hvor brændselscellens udstødning simuleres med en massestrømsregulator. Den nødvendige brint til at holde reformerens temperatur konstant findes ved at variere brintstrømmen til brænderen, og den ikkelineære models brintstøkiometri justeres, indtil modellens mængde af overskudsbrint matcher forsøgene.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords