Sensor system to monitor electrolysis process for hydrogen production

Abstract

Energi er ryggraden i moderne sivilisasjon og utvikling. Det er ufattelig å leve i en verden uten strøm og andre energikilder. Etter hvert som verden ekspanderer når det gjelder befolkning og med fossile drivstoff som tømmes, øker behovet for å skifte til rene og fornybare energikilder med hast. De viktigste fornybare kildene som solenergi, vind, varme og vannkraft er godt utforsket og implementert over hele verden. En av utfordringene med disse fornybare energikildene er at de er intermitterende, og dette krever et effektivt energilagringssystem. Hydrogen anses å være et tidsuavhengig alternativ for langvarig lagring av batterier og annen teknologi. Dermed er hydrogenelektrolysøren en lovende teknologi som oversetter elektrisk energi til en kjemisk form og er for tiden et hett tema innen forskning og utvikling. Denne oppgaven tar sikte på å hjelpe utviklingen av effektive hydrogenelektrolyseenheter, ved å tilveiebringe kvantitative data om forskjellige prosessparametere som temperatur, hydrogenkonsentrasjon (pH), trykk etc. ved hjelp av et sensorsystem. Det utviklede systemet kan brukes til å overvåke elektrolyseprosessen og kan være grunnlaget for videre implementering av et kontrollsystem for elektrolyseenheter. For omfanget av dette prosjektet ble multisensorsystemet implementert på en elektrolyseenhet utviklet av forskningsselskapet SINTEF og gir en prototype av et nedskalert sensorsystem. Prototypen ble utviklet ved hjelp av en mikrokontrollerenhet og forskjellige sensorer basert på en kravanalyse. Rapporten skisserer utviklingsprosessen til sensorsystemet fra konseptutforskning til implementeringsdetaljer.

Energy is the backbone of modern civilisation and development. It is unimaginable to live in a world sans electricity and other energy sources. As the world is expanding in terms of population and with fossil fuels depleting, the need to shift to clean and renewable energy sources is rising with urgency. The major renewable sources like solar, wind, thermal and hydro energy are well explored and implemented worldwide. One of the challenges with these renewable energy sources is that they are intermittent and this calls for an efficient energy storage system. Hydrogen is considered to be a time independent long term storage alternative to batteries and other technology. Thus, the hydrogen electrolyser is a promising technology that translates electrical energy into a chemical form and is presently a hot topic in research and development. This thesis aims to aid development of efficient hydrogen electrolysis units, by providing quantitative data regarding various process parameters like temperature, hydrogen concentration (pH), pressure etc. with the help of a sensor system. The developed system can be used for monitoring the electrolysis process and can be the basis for further implementing a control system for electrolysis units. For the scope of this project, the multi sensor system was implemented on an electrolysis unit developed at the research company SINTEF and provides a prototype of a down scaled sensor system. The prototype was developed using a microcontroller unit and various sensors based on a requirements analysis. The report outlines the development process of the sensor system from concept exploration to implementation details.