1 Hydrogen til fremtiden?. 2/15 Blok 1 - Introduktion til brændselsceller Dagens emner: Brændselscelle typer Fundamentale kemiske reaktioner Energi, cellespænding.

Præsentationer af emnet: "1 Hydrogen til fremtiden?. 2/15 Blok 1 - Introduktion til brændselsceller Dagens emner: Brændselscelle typer Fundamentale kemiske reaktioner Energi, cellespænding."— Præsentationens transcript:

1 1 Hydrogen til fremtiden?

2 2/15 Blok 1 - Introduktion til brændselsceller Dagens emner: Brændselscelle typer Fundamentale kemiske reaktioner Energi, cellespænding og virkningsgrader Forskellige tab i brændselsceller Forbrug af brint, luft og vandproduktion Yderligere litteratur: Fuel Cell Systems Explained // James Larminie & Andrew Dicks kapitel 2, kapitel 3 samt appendix 2

3 3/15 Brændselscelle typer Brændselcelle TyperBrændselIonTempAnvendelse AlkalineH2H2 OH - 50-200 o CMilitær og rumfartindustri LTPEMH2H2 H+H+ 30-100 o CMobile anlæg, små CHP, APU, UPS HTPEMH2H2 H+H+ 120-200 o CMobile anlæg, små CHP, APU, UPS DMFCCH 3 OHH+H+ 20-90 o CMindre mobile anlæg PAFCH2H2 H+H+ ≈220 o CMellem CHP MCFCH2H2 CO 3 2- ≈650 o CMellem og store CHP SOFCH 2,CO,CH 4,….O 2- ≈1000 o CCHP Bio brændselcellemangeH+H+ ?Ekperimental Haldor Topsoe SOFC Stack IRD DMFC Stack AAU PEM Stack http://www.topsoe.com/http://www.topsoe.com/ http://www.ird.dk/ http://www.iet.aau.dk/http://www.ird.dk/

4 4/15 Hydrogen brændselscellen – kemiske reaktioner Anode reaktion: Katode reaktion: Samlet reaktion: Katalysator Gas diffusion lag Bipolar plader Katalysator Gas diffusion lag Bipolar plader Katalysator Gas diffusion lag Bipolar plader Load Kemi: Ændringer direkte mellem de enkelte stoffer Elektrokemi: Frigivelse af frie elektroner

5 5/15 Hydrogen Brændselscellen – energi Anode reaktion: Katode reaktion: Samlet reaktion: Cellespændingen ved fuldstændig omsætning af energien. Faraday konstantF=96485 C/mol EnergiE [J] StrømI [I] tidt [s] LadningQ [C] SpændingUo [V] Hvor stor del af energien omsættes ???.

6 6/15 Hydrogen Brændselscellen – energi EnergiCellespænding Øvre brændværdi286 kJ/mol1,48 V Nedre brændværdi241 kJ/mol1,25 V Gibbs frie energi237,2 kJ/mol1,229 V Gibbs frie energi er temperatur afhængig !! Vandets fase Temperatur o C[kJmol -1 ] U o [V] Liquid25-237,21,23 Liquid80-228,21,18 Gas100-225,21,17 Gas200-220,41,14 Gas400-210,31,09 Gas600-199,61,04 Gas800-188,60,98 Gas1000-177,40,92

7 7/15 Hydrogen Brændselscellen – energi El effekt Tilført effekt Virkningsgrader henføres ofte til nedre brændværdi. Termisk virkningsgradElvirkningsgrad VarmeproduktionEleffekt

8 8/15 Hydrogen Brændselscellen – energi Cellespænding El-effekt El-virkningsgrad

9 9/15 Cathodic Overpotential Membrane Losses Ohmic Losses Anode Overpotential Open Circuit Potential U 0 er den ubelastede celle/ EMK elektrimotorisk kraft η activation er aktiverings overpotentiale η ohmic er ohmsk overpotentiale η concentration er koncentration overpotentiale Hydrogen Brændselscellen – tab i PEM cellen

10 10/15 The Nernst Ligning Nernst ligning Den reversible åbne kredsløbsspænding EMK er temperatur afhængig Baumert (1993) foreslog følgende ligning ved små ændringer i temperatur og flydende vand som produkt.

11 11/15 Aktiverings overpotential Aktiveringstab er trægheden i de kemiske reaktioner. Spændingsfaldet driver elektron transporten til og fra elektroderne. For store værdier af η er det andet led i Butler – Vollmer ligningen uden betydning, og det giver Tafel ligningen (kun PEM!) The Butler-Vollmer ligningen udtrykker reaktions kinetikken. Hvilestrømtæthed i 0 : Tafel ligningen

12 12/15 Ohmsk overpotential Vandindholdet i membranen kan udtrykkes [Zawodzinski et al., 1993]: a er vands aktivitet Hovedparten af de ohmske tab i PEM cellen ligger i membranen. σ membrane er ledmingsevnen af membranen, og denne afhænger af både vandindhold og temperatur på membranen..

13 13/15 Masse transport / koncentrationstab Empirisk ligning: Ballard Mark V PEMFC ved 70 o C: m=2.11e-4 n=8e-3 Koncentrationstab skyldes falden iltkoncentration på katodesiden hen gennem cellen samtidig med der også vil egentlig trykfald. Sidstnævnte giver også fald på hydrogenets partialtryk på anodeside. Begge fænomener er mest dominerede ved større strømtæthed.

14 14/15 Oxygen forbrug Hydrogen forbrug Vand produktion Total luftforbrug Hydrogen Brændselscellen – massebalancer Luftoverskud