Rasmus Rode Mosbæk working in the labs of DTU Energy

Ph.d.-studerende vækker international opsigt med nyt og bedre udstyr

torsdag 20 nov 14
Nye forskningsresultater på DTU Energi har vakt opsigt indenfor brændselscelleforskning. Nyt udstyr kan måle på markant større celler, langt flere celler og give mere nøjagtige data på kortere tid.

I takt med at kvaliteten og levetiden af keramiske brændselsceller nærmer sig et kommercielt niveau, stiger interessen for nye og hurtigere metoder til at definere helbredstilstanden på stakke af brændselsceller.

Ph.d.-studerende Rasmus Rode Mosbæk på DTU Energi (tidl. DTU Energikonvertering) har opsat nyt måleudstyr og nye målemetoder til at måle impedans, dvs. den frekvensafhængige elektriske modstand, i brændselsceller, så det nu er muligt at måle på både individuelle og hele stakke af brændselsceller på én gang og få markant bedre data.

"Tidligere tog det 13 timer at måle på alle cellerne i en stak, fordi man målte på en celle ad gangen. Med det nye måleudstyr kan jeg måle 16 celler og hele stakken samtidig, dvs. 17 målinger på en halv time"
Rasmus Rode Mosbæk, Ph.d.-studerende

Tidligere har måleudstyr kun kunne måle på en celle ad gangen, og cellen skulle helst ikke være for stor. Nu har han gjort det muligt at måle på 90 cm2 celler, hvor man før målte på 16 cm2 og helst på 1 cm2 celler.

I samarbejde med en kollega har han derudover udviklet databehandlingsprogrammer, der er i stand til at håndtere de enorme mængder af data, der pludselig bliver til rådighed for forskerne.

”Det drejer sig i bund og grund om bedre udstyr og ændret målegeometri”, siger Rasmus Rode Mosbæk.

Ændret målegeometri fjerner støj

Forskerne har længe målt gode data på enkeltceller med et areal på 16 cm2, typisk har en modstand på 12 mΩ (milliohm). I stakke er cellernes areal 90 cm2 og modstanden er nede på 3 mΩ, og i det spektrum har støjen fra magnetfelterne, der dannes når man trækker vekselstrøm ved høj frekvens, tidligere vanskeliggjort pålidelige målinger.

”Når man måler på meget små spændinger, skal der ikke meget til, før magnetfeltet fra vekselstrømmen ændrer spændingen. Nu har jeg ændret på målegeometrien for at minimere støjen”, siger Rasmus Rode Mosbæk.

Det kunne tidligere kun gøres på symmetriske celler med højejere modstand, hvor det gjaldt at jo mindre celle, jo bedre målinger, idet modstanden og dermed måleområdet falder drastisk, jo større cellen er.

”Vi er gået fra at kunne måle på 16 cm2 celler til 90 cm2, og vi kan optage impedans data parallelt, så vi nu er i stand til at måle samtidigt på alle 16 brændselsceller og hele stakken på en gang, dvs. 17 målinger i alt.”

Det gør forskerne i stand til at måle, hvad der sker i elektroderne, hvad der sker med gasfordelingen inden i de individuelle brændselsceller og stakken samt om der opstår kontakttab.

”Vi kan ved hjælp af meget detaljeret impedans lave noget der hedder Distribution of Relaxation Times, DRT, og ud fra den og med hjælp af noget matematik får vi gasomsætningen, gasdiffusionen og reaktioner i brændselselektrode og iltelektrode. Jeg kan fx vise, at variationen af brændsel i cellerne varierer med plus/minus 7% i stakken, hvilke celler der får for lidt gas, og dem der får rigeligt.”

Det gør det muligt at optimere både gasfordelingspladerne, også kaldet interconnects, samt justere på andre stak komponenter, så man kan opnå en højere effektivitet.

Fra 13 timers måling til en halv time

Udover at optimere målemetoden, så det er muligt at få gode målinger ved høj frekvens på både enkeltceller og stak, har Rasmus Rode Mosbæks nye måle set-up også formindsket måletiden.

”Tidligere tog det 13 timer at måle på alle cellerne i en stak, fordi man målte på en celle ad gangen. Det har afholdt nogen fra at teste alle cellerne og i stedet kun teste tre-fire celler. Med det nye måleudstyr kan jeg måle 16 celler og hele stakken samtidig, dvs. 17 målinger på en halv time”, siger Rasmus Rode Mosbæk.

Ud over de indlysende fordele rent ressourcemæssigt, åbner det markant lavere tidsforbrug også for mere præcise måledata, idet temperatur og mængden af brændstof varierer mindre på en halv end på 13 timer.

”Jeg også fuldt automatiseret målingerne med testriggen, så man har mulighed for at måle om natten. Jeg skal ikke længere ned og trykke på apparatet, hver gang jeg vil måle. Nu sender testriggen en besked om, at impedans udstyret skal måle, og så gør den det automatisk. Ideelt set kan vi i teorien bare trykke start og så gå hjem, for når den er færdig med en måling, fortsætter den med næste punkt i testplanen”

Bedre målinger på både stakke og brændselsceller på kortere tid affødte dog hurtigt et nyt problem, nemlig at mængden af data steg voldsomt.

Nye databehandlingsprogrammer  til nye data

”Det giver ekstremt mange data at lave over 1200 impedansmålinger på en 2000 timers test. Ser man på det rent computermæssigt, kræver det ikke mange ressourcer til at analysere det. Udfordringen ligger i, hvordan man får analyseret alle disse mængder data effektivt”, siger Rasmus Rode Mosbæk.

Det problem var Rasmus Rode Mosbæk og hans kollegaer også nødt til at forholde sig til, hvis måleudstyret skal bruges effektivt. Kollega og forsker Chris Graves har udviklet et stykke software kaldet Rapid and Versatile Data Analysis/Visualization, RAVDAV, et in-house analyseprogram, der gør at man kan analysere og plotte data hurtigere. Samtidig har Rasmus Rode Mosbæk i samarbejde med seniorforsker Johan Hjelm lavet en række programmer, der kan læse hver enkelt folder med måleserier, læse alle impedansspektre og tage værdier ud i separate tekstfiler.

Tidligere skulle forskerne manuelt søge og plotte alle dataene ind, hvilket ville være voldsomt tidskrævende med 1200 impedansmålinger. Nu klarer programmerne indsamling, analysere af dataene og gemmer resultater i separate tekstfiler, der kan bruges direkte i statistiske programmer.

I hvert fald i teorien, for der er stadig et par knaster tilbage.

”Vi er ikke helt færdige med alle programmerne, men vi har vist, at det kan lade sig gøre. At jeg faktisk kan få de her fire informationer omkring gas omsætning, gas diffusion, brændsels- og iltelektrodemodstande ud for mine 1200 impedansmålinger. Hvorefter man kan analysere de fire modstande over tid.”

Det gør det også muligt at samle en stak med flere forskellige celler, hvor der er variation i iltelektrode eller brændselselektroden, så der kan udvikles og testes nye og/eller forskellige celler under samme betingelser. Dette vil give en bedre indsigt til at øge holdbarheden af cellerne.

Udstyret har vakt opsigt i SOFC-kredse

Det tog Rasmus Rode Mosbæk over tre år og adskillige forsøgsopstillinger at udvikle testudstyret, der indtil videre kun findes i en enkel testrig på DTU Energi. Til gengæld er udstyret mobilt og forholdsvis nemt at reproducere, hvis finansieringen kommer på plads. Og finansieringen vil næppe volde problemer.

For selv om hver testrig vil koste et sekscifret beløb, så vakte Rasmus Rode Mosbæk og hans Ph.D.-projekt stor opmærksomhed, da han i juli præsenterede det ved brændselscellebranchens konference, European SOFC and SOE Forum i Lucerne, Schweiz.

Adskillige store stakproducenter kom bagefter over og roste hans forskning og resultater.

”Forskningscenter Jülich er et af de rigtig store SOFC forskningscentre i Europa, og de roste mig på scenen, og bagefter kom SOFC Power og Ceres Power, som er blandt de førende SOFC producenter, over og sagde, at det var godt arbejde. Det samme gjorde folkene fra Karlsruhe Institue of Technology og Topsoe Fuel Cell A/S. Det var lidt overvældende”, fortæller Ph.d.-studenten fra DTU Energi.

Rasmus Rode Mosbæk forsvarer sin Ph.D.-afhandling om det nye impedans måleudstyr den 11. december 2014 kl 13:00 i Niels Bohr Auditoriet på DTU Risø Campus.