JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

Transkrypt

1 JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE Jan Wyrwa Katedra Chemii Analitycznej, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, AGH Al. Mickiewicza 30, Kraków

2 Światowe zapotrzebowanie na energię-przewidywania 400 Zużycie energii w bilonach baryłek ropy/rok światowe zużycie energii dostępna energia Różnica musi być wyrówna przez alternatywne źródła energii Lub: przez bardziej wydajne technologie pozyskiwania energii lata

3 Ogniwo paliwowe-zasada działania. Urządzenie zmieniające energię chemiczną paliwa oraz utleniacza na energię elektryczną. Energia elektryczna jest wytwarzana bez bezpośredniego spalania paliwa i utleniacza, co pozwala na uniknięcie emisji szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, węglowodorów Powstający ditlenek węgla jest wykorzystywany w procesie katodowym

4 Zatruwanie atmosfery Emisja do atmosfery w kg/1650 MWh, ŹR ÓDŁO SO x NO x CO Cząstki Związki CO 2 stałe org. Elektrowni 12,74 18,85 12, a SOFC

5

6 Typy ogniw paliwowych Polimerowe (PEFC, SPFC, PEMFC) Alkaliczne (AFC) Fosforanowe (PAFC) Węglanowe (MCFC) Protonowe (PCFC) Stało-tlenkowe (SOFC) Jednokomorowe ogniwa paliwowe (SCFC, MGFC)

7 Ogniwa Paliwowe (porównanie)

8 Węglanowe Ogniwa Paliwowe Molten Carbonate Fuel Cell- MCFC Zalety: Nie wymaga drogich elektro-katalizatorów, CO i CH x mogą być obecne w paliwie, ciepło odpadowe może być wykorzystane Wady: Wysoka korozyjność elektrolitu oraz wysoka temperatura stwarza problemy materiałowe oraz skraca czas życia ogniwa, elektrolit wrażliwy na związki siarki

9 Element baterii ogniwa paliwowego.

10 SOFC

11 Zalety: Tlenkowe Ogniwa Paliwowe Solid Oxide Fuel Cell - SOFC Możliwości konstrukcyjne różnych kształtów (planarne, rurkowe, monolityczne). Użycie ceramicznych materiałów minimalizuje problemy korozji i ułatwia rozwiązywanie problemów TPB. Użycie elektrolitu stałego zapobiega jego płynięciu i penetracji elektrod. Szybkości reakcji elektrodowych relatywnie wysokie. CO może być składnikiem paliwa. Nie ma ograniczeń z obecnością CO 2 przy katodzie. Możliwości wykorzystania ciepła odpadowego. Materiały do konstrukcji relatywnie tanie.

12 Tlenkowe Ogniwa Paliwowe Solid Oxide Fuel Cell - SOFC Wady: Problemy z otrzymaniem elektrolitu stałego pozbawionego porowatości otwartej Problemy z uszczelnieniem stosu Wysokie koszty przygotowania paliwa o pożądanej czystości ( np. Otrzymanie czystego H 2 )

13 Ogniwo jednokomorowe-zasada działania

14 Zalety jednokomorowego ogniwa paliwowego. elektrolit może posiadać porowatość otwartą i jest to jego zaleta a nie wada jak w przypadku dwukomorowego ogniwa tlenkowego. znika problem uszczelnienia stosu ogniw. gaz zasilający ma taki sam skład dla części anodowej i katodowej.

15 Wady jednokomorowego ogniwa paliwowego. niski stopień konwersji paliwa. w praktycznym zastosowaniu powinno być elementem układu hybrydowego, np.ogniwo+wymiennik ciepła.

16 Ogniwo jednokomorowe-reakcje elektrodowe

17 Krakowskie ogniwa paliwowe. Zakład Elektrochemicznego Utleniania Paliw Gazowych, ICHF PAN prof.l.suski Do roku 1990 jedyna placówka naukowa zajmująca się tematyką ogniw paliwowych Model laboratoryjnego ogniwa paliwowego z elektrolitem węglanowym. Elektrolit spiek MgO nasycony eutektyką LiNaCO3 anoda -- spiek Ni-Ag. katoda -- spiek Ag I=40mA/cm 2 90mA/cm 2

18 Krakowskie ogniwa paliwowe Model laboratoryjnego ogniwa paliwowego z elektrolitem węglanowym. elektrolit LiAlO 2 +LiNaCO 3, pastowy. anoda - spiek Ni-Ag dotowany tlenkami metali Cr,Al,Mn, katoda - spiek Ag,NiO I=80mA/cm 2 150mA/cm 2

19 Krakowskie ogniwa paliwowe Realizacja baterii ogniwa paliwowego o docelowej mocy 1kW w oparciu o elektrolit pastowy LiAlO 2 o wymiarach 150mm x 150mm. anoda -Ni katoda LiMnO 2 elektrody nanoszone na elektrolit metodą sitodruku.

20 Krakowskie ogniwa paliwowe ogniwo jednokomorowe z elektrolitem tlenkowym. elektrolit spiek ZrO 2 +Y 2 O 3, d=100µm anoda cermet cerowo-niklowy katoda perowskit Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3

21 Ogniwo jednokomorowe-zasada działania

22 Ogniwo jednokomorowe-zasada działania

23 Ogniwo jednokomorowe-budowa

24 Ogniwo jednokomorowe-zasada działania

25 Ogniwo jednokomorowe z porowatym SE

26 Ogniwo jednokomorowe-efekt odległości elektrod; stos ogniw

27 Ogniwo jednokomorowe-budowa

28

29

30

31

32

33

34

35 Dobór elektrolitu stałego

36 Dobór elektrolitu stałego Redukcja grubosci SE

37 Elektrolity stałe

38 PALIWA SCFC może być: Mieszanina wodoru z tlenem - poza granicami ich wybuchowości LEL i UEL: LEL (Lower Explosive Limit)= H 2 /O 2 =4.65% UEL (Upper Explosive Limit) = H 2 /O 2 =93.5% Mieszanina zawierająca węglowodory i tlenpoza granicami ich wybuchowości ( dla: CH 4 /O 2 LEL=5.40 %, UEL=59.2 %)

39 ENERGIA SŁONECZNA 1 kw/ m MW/ km 2

40 Foto-elektroliza wody -PEC

41 Fotokataliza

42

43 Paliwo do SOFC Water Water Everywhere.

44 Jak daleka przyszłość? Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki