Suoramoodisen biopolttokennoakun toiminta sähkömagneettisen kentän vaikutuksen alaisena

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Date
2011
Major/Subject
Radiotekniikka
Mcode
S-26
Degree programme
Language
en
Pages
76
Series
Abstract
Tässä diplomityössä tutkitaan aikaharmonisen sähkömagneettisen kentän vaikutusta suoramoodisen biopolttokennoakun toimintaan. Myös koaksiaalista taperointia tutkitaan ja taperoitu sovitusosa valmistetaan. Tarkasteltava taajuusalue ulottui 50 MHz:stä 5 GHz:iin. Tällä hetkellä polttokennot ovat muiden vaihtoehtoisten energialähteiden joukossa hyvin kiinnostavia päästöjen puhtaudesta johtuen. Erityisesti suoramoodiset biopolttokennot, joissa biopolttoaine ja elektrolyytti sekoitetaan keskenään, tarjoavat helppokäyttöisen energialähteen harvaan asutuille seuduille. Polttoaineena voidaan käyttää esimerkiksi glukoosia tai muita sokereita. Polttokennojen suurimmat ongelmat ovat korkea hinta sekä perinteisten polttoaineiden ongelmallinen varastointi ja tehoton valmistus. Biopolttoaineiden säilytys ei toisaalta vaadi erityistoimenpiteitä, mutta polttoaineet eivät vielä pysty tuottamaan riittävän korkeita tehotiheyksiä. Radiosignaalien tehostavaa vaikutusta polttokennon toimintaan on aikaisemmin tutkittu lupaavin tuloksin. Tässä työssä yritetään selvittää, onko sähkömagneettisella kentällä vaikutusta sähköisesti koaksiaalikaapelin tavoin käyttäytyvän polttokennon ulostulotehoon. Työn alussa esitetään polttokennon alkeet, koaksiaalikaapelin teoria sekä tutkittavana kohteena olevan polttokennon tärkeimmät ominaisuudet. Laajakaistainen taperoitu sovitusosa suunnitellaan ja valmistetaan jotta polttokennoon voidaan syöttää sähkömagneettinen kenttä. Sähkömagneettista kenttäsimulaattoria hyödynnetään taperoinnin optimoimiseksi ja polttokennon sisäisen sähkömagneettisen kentän käyttäytymisen selvittämiseksi. Päätavoitteena on syöttää korkeataajuinen teho polttokennoon hallituissa olosuhteissa, jolloin analyysi voidaan tehdä perusteellisesti. Ulostulotehomittausten avulla on tarkoitus löytää tietty taajuus tai kynnystaajuus, jolla sähkömagneettisen kentän vaikutus polttokennon toimintaan on mahdollisimman hyvä. Polttokennon toimintaa tarkastellaan sekä ilman sähkömagneettisen kentän vaikutusta että radiotehon ollessa kytkettynä polttokennoon. Mittaustulokset eivät anna mitään viitteitä polttokennon toimintaa tehostavasta vaikutuksesta. On kuitenkin huomattava, että ulostulotehomittausten aikana polttokenno ei toiminut toivotulla tavalla eikä mittausten luotettavuudesta näin ollen oltu täysin varmoja. Toimintahäiriö johtui viallisesta anodikatalyytista. Mittauksia suoritetaan tulevaisuudessa lisää täydellisesti toimivan polttokennon kanssa.

In this Master's thesis the influence of a time-harmonic electromagnetic field on the operation of a direct-mode bioorganic fuel cell is investigated. Also coaxial tapering is studied and a tapered matching part is manufactured. The frequency under focus ranged from 50 MHz to 5 GHz. Today, fuel cells are found very attractive among alternative energy sources due to their clean emissions. Especially bioorganic direct-mode fuel cells, in which the bioorganic fuel and the electrolyte are mixed together, offer an easy-to-use energy source for remote districts. Glucose, for instance, or other sugars could be used as fuel. The main problems related to fuel cells constitute their high cost and the problematic storage and inefficient production of the conventional fuels. Biofuels, on the other hand, are easily stored but yet unable to achieve sufficient power densities. Enhancement of fuel cell efficiency by means of RF energy has been researched earlier with promising results. This work examines the effect of an electromagnetic field on the output power of a fuel cell, which can be treated electrically as a coaxial cable. The basics of fuel cells, coaxial cable theory and the main characteristics of the fuel cell under study are presented in the first chapters of the thesis. A broadband tapered matching part is designed and constructed in order to enable the feeding of an electromagnetic field inside the fuel cell. Electromagnetic field simulations are exploited in order to optimize the tapering and to gain knowledge of the electromagnetic behavior inside the fuel cell. The main goal is to feed the high-frequency power into the fuel cell under controlled circumstances, since only then can the analysis can be made thoroughly. The output power measurements of the fuel cell are conducted in order to find a specific or threshold frequency for the EM field, under the influence of which the operation of the fuel cell is enhanced the most. The operation of the fuel cell is measured both with and without coupling an EM signal into the fuel cell and the results are compared. The measurement results obtained so far do not show any indication that the fuel cell operation is enhanced by the RF energy. It is, however, noted that the fuel cell was not operating correctly during the output power measurements, and thus the accuracy of the measurements was decreased. The malfunction was a consequence of a faulty anode catalyst. Hence, further measurements are to be performed in the future with a fully functional fuel cell.
Description
Supervisor
Vainikainen, Pertti
Thesis advisor
Ilvonen, Janne
Keywords
fuel cell, tapering, EM simulations, electromagnetic field, biofuel, polttokenno, taperointi, sähkömagneettiset simuloinnit, sähkömagneettinen kenttä, biopolttoaine
Other note
Citation