Educational PEM Fuel Cell RE510 Planering för säker installation och driftsättning: implementering av gas- och elsystem för pedagogisk användning av en PEM-bränslecell

Abstract

Examensarbetet har utförts vid Yrkeshögskolan Novia i Vasa och behandlar planeringen av installation och driftsättning av bränslecellsapparaten P. A. Hilton Educational PEM Fuel Cell RE510. Eftersom systemet använder brandfarlig vätgas från högtrycksbehållare har arbetet haft ett tydligt fokus på säkerhetsaspekter. Arbetet omfattar dimensionering och val av komponenter för gas- och elsystem samt uppbyggnaden av systemen och komponenternas kostnad i examensarbetet. Gassystemet är utformat i enlighet med både europeiska och amerikanska standarder då nationella riktlinjer ännu är begränsade för småskaliga vätgassystem.

Målet med arbetet var att skapa ett säkert och fungerande system för undervisningsbruk där driftsmiljön är trygg för studerande. En central del i arbetet har varit planeringen av ett säkerhetssystem som kan detektera vätgasläckage och automatiskt aktivera ventilation samt skicka varningsmeddelanden via SMS. Arbetet har även inkluderat teoretiska beräkningar av vätgaskonsumtion, biprodukter och tryckfall samt uppbyggnad och simulering av en prototyp för säkerhetssystemet i Siemens LOGO! Soft Comfort.

Eftersom installationen inte kunde genomföras under arbetets gång, har fokus legat på att tydligt beskriva vilka tekniska och lagstadgade krav som ställs för att systemet ska kunna installeras på ett säkert sätt. Arbetet tar bland annat upp behörighetskrav för elinstallationer och gasinstallationer samt de extra säkerhetsåtgärder som krävs vid installation i explosionsfarliga miljöer enligt ATEX direktivet. Examensarbetet fungerar därmed som en grund för fortsatt arbete med installationen.

Det färdiga resultatet ger en helhetsbild av vad som krävs för att införa bränslecellsapparaten i undervisningsmiljö. Arbetet kan användas som stöd vid framtida installation och vidareutveckling av systemet.

Opinnäytetyö on tehty Yrkeshögskolan Noviassa, ja se käsittelee P. A. Hilton Educational PEM Fuel Cell RE510 -polttokennolaitteen asennuksen ja käyttöönoton suunnittelua. Koska järjestelmä käyttää syttyvää vetyä korkeapaineisista säiliöistä, työssä on keskitytty erityisesti turvallisuusnäkökohtiin. Työhön sisältyy kaasu- ja sähköjärjestelmän mitoitus ja komponenttien valinta sekä järjestelmien rakentaminen ja komponenttien kustannusten tarkastelu. Kaasujärjestelmä on suunniteltu sekä eurooppalaisten että amerikkalaisten standardien mukaisesti, koska kansalliset ohjeistukset pienimuotoisille vetylaitteistoille ovat toistaiseksi rajallisia.

Työn tavoitteena oli luoda turvallinen ja toimiva järjestelmä opetuskäyttöön, jossa käyttöympäristö on turvallinen opiskelijoille. Keskeinen osa projektia oli turvallisuusjärjestelmän suunnittelu, joka pystyy havaitsemaan vetyvuodot, aktivoimaan ilmanvaihdon automaattisesti ja lähettämään varoitusviestejä tekstiviestinä. Työhön sisältyy myös teoreettisia laskelmia vedyn kulutuksesta, sivutuotteista ja painehäviöistä, sekä turvallisuusjärjestelmän prototyypin rakentaminen ja simulointi Siemens LOGO! Soft Comfort -ohjelmistolla.

Koska asennusta ei voitu toteuttaa työn aikana, painopisteenä on ollut teknisten ja lainsäädännöllisten vaatimusten selkeä kuvaus, jotta järjestelmä voidaan asentaa turvallisesti. Työssä käsitellään muun muassa sähkö- ja kaasuasennuksiin liittyviä pätevyysvaatimuksia sekä ATEX-direktiivin mukaisia lisäturvatoimia räjähdysvaarallisissa tiloissa tehtäviä asennuksia varten. Opinnäytetyö toimii siten pohjana työn jatkokehitykselle ja varsinaiselle asennukselle.

Valmis työ tarjoaa kokonaiskuvan siitä, mitä vaaditaan polttokennolaitteen käyttöönottoon opetuskäytössä. Sitä voidaan hyödyntää tulevissa asennuksissa ja järjestelmän jatkokehityksessä.

The thesis was carried out at Novia University of Applied Sciences in Vaasa and concerns the planning of the installation and commissioning of the P. A. Hilton Educational PEM Fuel Cell RE510. Since the system uses flammable hydrogen from high-pressure cylinders, the work has had a clear focus on safety aspects. It includes dimensioning and selection of components for the gas and electrical systems, as well as the construction of these systems and the costs of the components used in the thesis. The gas system is designed in accordance with both European and American standards, as national guidelines forsmall-scale hydrogen systems are still limited.

The aim of the thesis was to create a safe and functional system for educational use, where the operating environment is secure for students. A key part of the project was the planning of a safety system capable of detecting hydrogen leaks, automatically activating ventilation, and sending warning messages via SMS. The work also includes theoretical calculations of hydrogen consumption, by-products, and pressure drop, as well as the design and simulation of a prototype safety system using Siemens LOGO! Soft Comfort.

Since the system could not be installed during the course of the project, the focus has been on clearly describing the technical and legal requirements necessary for a safe installation. The thesis addresses, among other things, the required certifications for gas and electrical installations, as well as additional safety measures needed for installation in explosive atmospheres in accordance with the ATEX directive. The thesis thus provides a foundation for continued work with the installation.

The final result offers a comprehensive overview of what is required to implement the fuel cell system in an educational setting. It may serve as support for future installation and further development of the system.