Mgr inż. Paweł Ziółkowski Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk MODELOWANIE OSIĄGÓW NISKOEMISYJNYCH OGNIW PALIWOWYCH ZA POMOCĄ MODELI MATEMATYCZNYCH TYPU CFM. Dr inż. Marcin Lemański Prof. dr hab. inż. Janusz Badur Mgr inż. Paweł Ziółkowski Mgr inż. Sebastian Kornet Instytut Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego PAN Nałęczów, 20-22 luty 2013

Plan prezentacji: Zasada działania, Schemat ogniwa, Reakcje chemiczne, Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Plan prezentacji: Zasada działania, Schemat ogniwa, Reakcje chemiczne, Wyniki, Wnioski.

Zasada działania ogniwa Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Zasada działania ogniwa Rys.1 Zasada działania ogniwa paliwowego SOFC [rysunek jest własnością firmy Siemens].

Rys. 2. Schemat pojedynczej rurki ogniwa SOFC. Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Schemat ogniwa Rys. 2. Schemat pojedynczej rurki ogniwa SOFC.

Podstawowe reakcje chemiczne Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Podstawowe reakcje chemiczne Reakcji elektrochemicznej „zimnego spalania”: . Reakcja reformingu: Reakcja gazu wodnego:

Reakcji elektrochemicznej „zimnego spalania”: Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Weryfikacja modelu Reakcji elektrochemicznej „zimnego spalania”: . Reakcja reformingu: Reakcja gazu wodnego: Dla wszystkich obliczeń przyjęto wartości gęstości prądu granicznego io=0,67 A/cm2 i gęstości prądu wymiany il=0,20 A/cm2. Konsekwencją przyjęcia takich wartości do wszystkich symulacji mogą być różnice pomiędzy wielkościami obliczonymi, a wynikami eksperymentu.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 3. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hagiwara.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 4. Charakterystyka moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hagiwara

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 5. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hirano.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 6. Charakterystyka moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hirano

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 7. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Tomlins.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 8. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Tomlins.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 9. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Singhal.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 10. Charakterystyka moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Singhal.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 11. Charakterystyka sprawność elektryczna - gęstość prądu - obliczenia dla eksperymentu wg Singhal.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wyniki Rys. 12. Charakterystyka temperatura na wylocie z anody - gęstość prądu -obliczenia dla eksperymentu wg Singhal.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN Zakład Konwersji Energii Fiszera 14, 80-952 Gdańsk Wnioski: Zaproponowany model pod względem jakościowym i ilościowym w dobry sposób odzwierciedla skomplikowane procesy chemiczne i elektrochemiczne zachodzące w ogniwie. Ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką sprawnością konwersji energii na poziomie około 50 % i znikomej emisji zanieczyszczeń. Sprawność elektryczna może zostać dodatkowo zwiększona w wyniku zastosowania ogniw paliwowych typu SOFC z turbinami gazowymi w tzw. ciśnieniowych układ hybrydowych SOFC/GT (nawet do 60 %). Emisja dwutlenku węgla tego typu ogniw paliwowych jest około dwukrotnie niższa niż w przypadku spalenia go w tradycyjnym palniku gazowym. Z punktu widzenia termodynamicznego i ekologicznego ogniwa paliwowe SOFC są przyszłościową metodą produkcji energii. Z drugiej strony wysokie koszty ekonomiczne i niska moc oferowanych układów oraz liczne problemy eksploatacyjne ograniczają ich zastosowanie jedynie do energetyki rozproszonej oferującej źródła energii elektrycznej dla urzędów, szpitali etc., o mocy do 1MWe.

Dziękuję za uwagę.