Model on degradation of PEM fuel cells in marine applications

Abstract: 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.