fuel cell seminar oct 2731, 2008, phoenix, arizona€¦ ·  · 2008-11-122008-11-12 · • fuel...

25
Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center Development of a DMFC Development of a DMFC Powered Powered Humanoid Robot Humanoid Robot HanIk Joh, Tae Jung Ha, JaeHyong Cho, Heung Yong Ha , Jong Ho Kim, SooKil Kim, TaeHoon Lim, BaekKyu Cho*, JunHo Oh* a Fuel Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology b Korea Advanced Institute of Science and Technology Fuel Cell Seminar Oct 2731, 2008, Phoenix, Arizona 2008. 10 . 30.

Upload: buiduong

Post on 20-May-2018

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Development of  a DMFC Development of  a DMFC­ ­Powered Powered Humanoid Robot Humanoid Robot 

Han­Ik Joh, Tae Jung Ha, Jae­Hyong Cho, Heung Yong Ha, 

Jong Ho Kim, Soo­Kil Kim, Tae­Hoon Lim, Baek­Kyu Cho*, Jun­Ho Oh* 

a Fuel Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology b  Korea Advanced Institute of Science and Technology 

Fuel Cell Seminar Oct 27­31, 2008, Phoenix, Arizona 

2008. 10 . 30.

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

1.  Introduction 

Ø  The Fuel Cell Research Center at KIST 

Ø  DMFC prototypes 

2.  Experiment 

Ø  MEAs, bipolar plates, stacks 

Ø  BOPs, PMS 

3.  Results 

Ø  Performance of a stack 

Ø  Control of MeOH and temperature 

Ø  Operation of a DMFC­Robot system 

4.  Summary 

Outline

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

•  Power Generation –  Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) –  Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) 

•  Transportation –  Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) 

•  Portable Power Sources –  Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) –  PEMFC with a Micro Fuel Processor for Portable Powers 

•  Hydrogen Generation –  Reformer for MCFC –  Fuel Processor for PEMFC 

The Fuel Cell Center at KIST The Fuel Cell Center at KIST 

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Ø  2008 Manpower : 70 –  Regular Staff :        17 (10 Ph.D.’s) –  Visiting Scholar :      1 –  Researcher :          10 (10 MS and BS) –  Student :                41 (22 Domestic, 6 Foreign) 

Ø  2008 budget  : ~ $ 7 million

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

PEM 

Activities on DMFC at KIST 

1.  Advanced  MEAs ü  Low catalyst loading ü  MEA fabrication process 

2.  Durability and regeneration ü  Degradation mechanism ü  Performance recovery 

3.  Electrocatalysts ü  Carbon supports ü  Pt­alloy catalysts 

4.  Membrane modification ü  Surface modification ü  Low methanol crossover 

5.  Bipolar plates ü  Flow field design ü  Simulation 

6.  DMFC stacks ü  Monopolar stacks ü  Large size stacks ü  High power density 

7.  Methanol supplying systems ü  Sensor­less controller ü  Smaller and simpler 

8.  DMFC systems ü  For Robots ü  For Portable electronics ü  For emergency usage

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Efforts toward Commercialization 

? 200 cc 1 liter 20 W 15 hr Samsung SDI 

2006 200 cc 1 liter 25 W 10 hr LG Chem 

2006 3 cc 126 cc 1.0 W 5 hr Hitachi 

2009 50 cc ? 6hr talk time Toshiba 

2012 50cc ? 

1kW Yamaha 

Prototypes Prototypes Commercia Commercia lization lization goal goal 

Fuel Fuel volume volume 

System System volume volume Power Power Company Company 

Panasonic  5hr operation

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

•  Power density ü  Membrane, Catalyst, MEA 

•  Energy density ü  Balance of plant, stack volume 

•  Power output control ü  Power change at various temperatures ü  Start up at low temperature 

•  Fuel cell system design ü  Air intake, water disposal, heat release 

•  Reliability ü  Dust, fuel impurities, dry up during storage 

•  Safety ü  Eliminate noxious effluents(methanol, formaldehyde, CO, etc) 

•  Infrastructure ü  Delivery of fuel, fuel exchange system 

•  Cost 

Ø Niche markets having competitive edge 

DMFC Technical Challenges

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Fabricate a 400W­class DMFC system  including stack, BOP and PMS 

Investigate the operational characteristics of the fuel cell­battery 

hybrid system while operating a robot 

Develop a 400W DMFC/battery hybrid system 

to power a humanoid robot 

Goals

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

MEA, Bipolar Plate and Stack 

MEA: 138cm 2 

Bipolar plate  42­cell stack 

Single cell

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Fuel Cell System with BOP 

Integrated BOP and a stack 

The stack and the BOP were assembled to build a DMFC system

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Flow Diagram of Power and System Control 

PMS 

The DMFC system was integrated with a battery and a power management unit to make a stand­alone DMFC­battery hybrid system.

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Astroboy 

Robots 

R2­D2 

Asimo 

The Transformer 

Taekwon V

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

300Wh NiMH / 90 min Power/operation time 

56 Kg Weight 

HUBO ( KHR­3 ) 

1.25 km/h Maximum velocity 

Four direction Walking direction 

125 cm Height 

41 Degree of freedom 

KAIST Humanoid Robot Hubo was created by the robot team at KAIST, led by Prof. Jun­Ho Oh 

KAIST is one of the prominent universities in Korea

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Power Consumption by HUBO 

<  Measurement of HUBO’s current 

consumption for programmed actions > 

(Region 1) Position compensation while hung down from hook 

(Region 2) Position adjustment on the ground 

(Region 3) Programmed actions for standing still, handshake, 

and talking with hands 

(Region 4) Programmed actions for walking 

Power Consumed voltage, current 

Conditions 

12V,     5A 

24V,    30A 

24V,    10A 

24V,     5A 

24V,     1A 

Controller 

Maximum load 

Walking 

Programed action 

Position compensation 

HUBO ( KHR­3 ) consumed power 

240 W 

720 W 

120 W 

24 W 

60 W 

Idle Walking Max

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

The 42­cell stack displayed almost the same performance as the single cell 

150mA/cm 2 @ 0.46V:, 70 mW/cm 2  , 405W 

Performance of DMFC 

0  50  100  150  200  250 0.0 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

0.9 

Stack voltage,  Stack power Short­stack voltage,  Short ­stack power Single cell voltage,  Single cell power 

Current density [mA/cm 2 ] 

Voltage [V

Stack vs. Short­stack vs. Singel cell performance 

­10 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

70 

80 

90 

100 

110 

Pwer density [m

W/cm

  2 ] 

single cell, short­stack = 70 o C full stack  = RT Feed, air = RT 

Single cell 

42­cell stack 

Comparison btn the 42­cell stack and a single cell. 

stack 

Single cell

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Effect of Feed Conc 

v Cell temp. increased with increasing MeOH conc. even at open circuit condition 

v With 1.0M, the temp reached 80oC, not suitable for the stack 

v 0..8M MeOH gave the better performance than 0.5 M 

0  10  20  30  40 20 

30 

40 

50 

60 

70 

80 Cathode inlet 

Temperature distribution at O.C. 

0.5 M MeOH 0.8 M MeOH 1 M MeOH 

Temperature [°C] 

Cell number 

Anode inlet 

MeOH in  Air in 

Characteristics of the 42­cell stack 

Temp at open circuit 

0  5  10  15  20  25  30 0 

10 

15 

20 

25 

30 

35 

Voltage [V

] Current [A] 

Pow

er [W] 

voltage05 power05 voltage08 power08 

0.5 M vs. 0.8 M (λ=3.6/3.6) 

50 

100 

150 

200 

250 

300 

350 

400 

450 

500 

0.5M

0.8M 

Performance 

1.0M 

0.5M 

0.8M

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

0  10  20  30  40  50  60  70  80  90  100  110  120 0.0 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

Time [hr] 

10 

12 

14 

16 

18 

20

∆P Ca

∆P An 

Power 

Voltage 

Power [W

], ∆P [kPa] 

Voltage [V

Continious long term test for 10h per day(20060731~0809) 

Ø A continuous operating mode while running the cell 10 hrs a day ØThere was not appreciable degradation 

Ø The air supply to the stack was continually interrupted  for 2 sec every 3 min 

Long­term Stability of Single Cells 

v The single cells showed a very stable performance over the 630hrs regardless of 

operation mode used.

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

v The sensor­less controller was 

designed to make up the methanol 

consumption by the stack. 

v A methanol consumption map has 

been built by measuring MeOH 

consumption rates at varying operating 

conditions. 

v At first, the MeOH con is lower than 

the set point 

v In 20 minutes, the methanol conc 

approaches a setting value within a 

10% error margin. 

Sensor­less Control of MeOH Conc. 

0  20  40  60  80  100 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

MeO

H conc. [m

ol/L] 

Time [min] 

Under a load of 20 A O.C. 

0.8 M Neat MeOH

stack

Mixer 

Calculating MeOH consumption rates

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

v Temperature of the stack was controlled to around 70 o C by using a heat exchanger. 

v Temp < S.P., cooling fan = OFF 

v Temp > S.P., cooling fan = ON 

v The air Inlet temperature increased due to the heat released by air blower 

Control of Stack Temp. 

0  20  40  60  80 

20 

30 

40 

50 

60 

70 

80 

Temperature [ ° C

Time [min] 

Anode in Anode out Cathode in Cathode out Anode heat exchanger 

Cathode out 

Cathode in 

Anode out 

Anode in 

stack

Heat exchanger

recycle

MeOH Mixe r

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Power Management Unit 

vVolume : 3 liter (12 x 25 x 10 cm) 

DC/DC converter: DC 15~40V è DC 29V 

v To regulate the voltage of the electricity from the stack 

v To distribute the power to the robot and the BOP 

v DC/DC converting eff. =95% 

v Current limit: 30A/20A/17A (PMU/battery/stack)

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Integration into Robot 

Stack & BOP 

PMU 

Battery 

Hubo

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Operation  of the Robot 

< Consumed power> BOP = 24V x 3A = 72W 

PMS = 29V x 1A = 29W 

When the total load by the robot and the BOP is less than the power from the stack, the power is covered by the stack. 

As the total load is higher than the stack power, the power deficit is made up by the battery. 

As the robot enters the idle state, consuming less power, the surplus electricity from the stack is used to recharge the battery. 

0  10  20  30  40  50  60  70  80  90 

­5 

10 

15 

20 

25 

Current [A

Time [min] 

Stack  Robot  Battery  Total current 

Total 

Stack 

Robot 

Battery 

FC > Ro + BOP  FC < Ro + BOP 

Load sharing btn the stack and the battery

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Energy Efficiency 

Net electric energy efficiency 

Beside the heat and kinetic losses, the methanol losses due to crossover and vaporization were the largest part: 32% 

The net energy efficiency to electricity was 22%

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

Summary 

v  The stack used in the robot presented almost the same performance as 

a  single cell showing the bipolar plate design and stack assembling 

technique were good. 

v  The 400W class DMFC stack showed very stable and high performance 

v  Pumps, an air blower, a heat exchanger,a methanol controller, a PMU 

and a battery were successfully integrated into a DMFC system to make 

a stand­alone DMFC­battery hybrid power generator. 

: Stack power density = 117W/L,  system power density = 43 W/L 

v  The humanoid robot ran stably with the power supplied by the DMFC­ 

hybrid system.

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

DMFC Lab members 

KIST DMFC team members 

Dr. H.Y. Ha

Fuel Cell Research Center Fuel Cell Research Center 

We welcome collaboration work with companies from abroad!!!