Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Bränslecellsystem för strömförsörjningsbehov i Försvarsmakten
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Chemistry, Department of Materials Chemistry.
2011 (Swedish)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

Försvarets Materielverk (FMV) driver sedan 2003 ett bränslecellsprogram med syfte att öka Försvarsmaktens kunskap om bränslecellstekniken (FC-tekniken) och dess potential för framtida applikationer. Arbetet genomförs inom ramen för FM´s ”Dual Use”-program vars mål är att kartlägga potentiella strategiska teknologier för både civila och militära ändamål.

En av slutsatserna som FMV drar är att bränsleceller inte nödvändigtvis är det självklara valet för alla studerade applikationer, men att tekniken visar på fördelar som strömförsörjningsfunktion för vissa tillämpningar. FC-tekniken har inneboende egenskaper vilka några innebär fördelar för såväl civila som militära tillämpningar. Särskilda fördelar relevant för militär verksamhet är att de har en låg ljudnivå och hög bränsledensitet vilket innebär potentiellt lägre upptäcktsrisk jämfört med förbränningssystem och betydligt längre drifttid jämfört med motsvarade vikt batterier. Vidare kan de konstrueras att vara bränsleflexibla och utformas för allt ifrån ren vätgas till diesel med hög svavelhalt.

Frågan är nu vilka tillämpningar inom FM som faktiskt kan dra nytta av ett strömförsörjningssystem som möjliggör längre drifttid än batterier och samtidigt är tystare än en förbränningsmotor.

Syftet med arbetet är att identifiera dessa tillämpningar inom FM där FC-teknikens inneboende egenskaper kan göra den till ett intressant strömförsörjningsalternativ samt precisera hur dessa system kan specificeras. Detta görs genom att svara på följande frågor:

  • För vilka typer av tillämpningar inom FM har FC-tekniken konkurrensfördel?
  • Hur skall specifikationerna för dessa bränslecellsystem formuleras?

Uppgiften har lösts dels genom litteraturstudier av resultat och slutsatser av redan genomförda studier och dels genom att intervjua nyckelpersoner i relevanta positioner för de tänkta strömförsörjningssystemen.

De tillämpningar som studeras och potentiellt kan ha konkurrensfördel gentemot förbränningssystem och/eller elektrokemisk lagring som t.ex. batterier är strömförsörjning av mobil och portabel utrustning, strömförsörjning av obemannade system, reservkraft, kombinerad kraft- och värmeproduktion (CHP) samt strömförsörjning av avlägsna enheter, dvs. enheter som inte har möjlighet att vara uppkopplade mot det ordinarie elnätet.

Genom en utvärderingsprocess valdes två av dessa tillämpningar ut vilka ansågs vara speciellt intressanta att studera i mer detalj; ett mindre batteriladdningssystem på gruppnivå samt ett strömförsörjningssystem för en undervattensfarkost (AUV).

Batteriladdningssystemet är avsett för förband som enskilt skall kunna lösa uppgifter i upp till tre veckor utan möjlighet till externt underhåll. Förband som har dessa uppgifter är specialförbanden, arméns jägarbataljon, underrättelsebataljonen samt amfibiekårens kustjägarkompani. Givet en generisk användargrupp, som anses kunna representera samtliga förband, kunde det maximala laddeffektbehovet uppskattas till drygt 80 W vid maximalt rekommenderad laddström. Om en längre laddtid kan accepteras kan dock effektbehovet minskas och likaså batteriladdningssystemets vikt och volym. Batteriladdningssystemet skall kunna hantera en rad olika typer och storlekar av batterier vilket ställer krav på både lämpliga fysiska gränsytor samt en funktion för ”smart laddning”, dvs. att systemet autonomt kan kontrollera hur det aktuella batteriet skall laddas. Då batteriladdningssystemet är avsett att användas i fältmiljö både nationellt och internationellt finns krav på funktion både i låga och höga temperaturer samt okänslighet mot både väta och sand. De kommersiellt idag tillgängliga systemen som potentiellt uppfyller kraven har en systemvikt på ca 12 kg.

För den studerade AUV-applikationen gjordes beräkningar för tre olika strömförsörjningsfall; 1) Enbart batterier 2) Enbart ett bränslecellsystem och 3) Ett bränslecellsystem som hanterar baslasten och ett batteripack som hanterar topplasten.

Av resultatet att döma finns i den studerade AUV-applikationen, med aktuell driftprofil, möjligen ett behov av hybridisering då denna lösning medför en 20 procentig ökning i drifttid. Mot detta skall ställas den ökade komplexiteten och kostnaden som detta kan medföra. Detta kan härledas till det faktum att topplasten inte skiljer sig markant mot baslasten samt att topplasten utnyttjas under mer än hälften av den totala drifttiden. I ett sådant fall verkar batteriets potentiellt högre förmåga att leverera hög effekt snabbt överskuggas av dess lägre energidensitet jämfört med bränslet. I kravet finns behov av att systemet under kort tid, < 1 min, skall kunna leverera cirka 10 kW då farkosten ”simmar” ut ur torpedtuben. Detta innebär givetvis att någon form av hybridisering är nödvändig. Exempelvis skulle en lösning kunna medge ett uttag av denna effekt under kort tid och som sedan under transitperioden har förmåga att ladda upp batteriet innan detta skall användas under den tid farkosten är fullt operativ. För att klargöra hur en sådan lösning kan utformas behövs detta krav analyseras mer i detalj.

Eftersom effektbehovet i driftprofilen ökar relativt lite mellan bas- och topplast (1020 – 1290; +26 %) kommer skillnaden i massa och volym mellan två bränslecellsystem motsvarande bas- och topplast vara relativt liten. Ett något större system som kan hantera både bas- och topplast borde således inte medföra varken en betydligt större massa eller volym. Bränslecellsteknikens generellt höga verkningsgrad vid dellast medför också en hög verkningsgrad vid båda lastfallen. En fortsatt analys av denna lösning bör inriktas på att studera frågor som rör vilken typ av lagring som är lämplig för behovet av ett kortvarigt effektuttag, om denna lösning enbart skall hantera detta effektuttag eller om en större hybridisering av den typ som presenteras i Fall 3 är intressant.

Utöver dessa resultat har tekniska specifikationer skrivits för respektive applikation. Dessa återfinns som bilagor.

Abstract [en]

The Swedish Defence Materiel Administration (FMV) has since 2003 been running a fuel cell programme with the purpose to increase the Armed Forces knowledge of fuel cell technology and its potential for future applications. This work has been performed as a part of the Armed Forces "Dual-Use"-programme which goal is to identify potential strategic technologies for both civilian and military purposes.

Specific fuel cell technology advantages relevant to military activities are low acoustic and infra red signature and high fuel density which potentially means lower risk of detection compared to combustion systems and notably longer operating times in comparison to batteries. Furthermore, they can be constructed to be fuel flexible and be designed to handle everything from pure hydrogen to high sulphur diesel fuel.

The question now is which applications in the Armed Forces that can actually benefit from a power supply system which allows for longer operating times than batteries yet is quieter than a combustion engine.

The task has been solved partly by studies of the results and conclusions of already conducted reports and partly by interviewing key personnel in relevant positions for each of the proposed power supply systems.

Two applications has been selected to be studied in more detail; a battery charging system and a power supply system for an Autonomous Underwater Vehicle (AUV).

 The battery charging system is intended to meet the power supply demands of small ranger or reconnaissance units required to operate independently of other forces for up to three weeks.  The maximum power requirement was calculated to be approximately 90 W at the maximum recommended charge current the radio battery being normative. However, if a longer charge time is acceptable this power requirement could be reduced and along with it the system weight and volume.

 

For the AUV application three cases were formulated; 1) Only battery power 2) Only fuel cell power 3) Fuel cell power handles base load and battery power handles peak load. The results showed calculated operational times of 11, 20 and 24 hours respectively.

In addition to these results, technical specifications have been produced for each application. These are included as attachments.

Place, publisher, year, edition, pages
2011. , p. 105
Series
UPTEC ES, ISSN 1650-8300 ; 11014
Keyword [sv]
Bränslecell, Fuel cell, batteri, Försvarsmakten, strömförsörjning
National Category
Energy Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-160345OAI: oai:DiVA.org:uu-160345DiVA: diva2:450708
Educational program
Master Programme in Energy Systems Engineering
Presentation
2011-06-07, 4001, 10:00 (Swedish)
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2011-10-26 Created: 2011-10-21 Last updated: 2011-11-01Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(7423 kB)788 downloads
File information
File name FULLTEXT03.pdfFile size 7423 kBChecksum SHA-512
15fc76b2196b7df6353b68340c995cd193481e0ddd3164b55f98b3209b72f593ef1f2195c60299278513040d62202184ab95011cb9fb65c165685b419028d106
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Boström, Martin
By organisation
Department of Materials Chemistry
Energy Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 790 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 720 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf