Ogniwa paliwowe Karolina Dąbek Piotr Bachanek Kraków, r

Prezentacja na temat: "Ogniwa paliwowe Karolina Dąbek Piotr Bachanek Kraków, r"— Zapis prezentacji:

1 Ogniwa paliwowe Karolina Dąbek Piotr Bachanek Kraków, 14.04.2015 r

2 Ogniwa paliwowe - definicja
Ogniwo paliwowe jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie w energię elektryczną za pośrednictwem procesu elektrochemicznego. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza. Pozwala to na uniknięcie szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, siarki, węglowodorów oraz tlenków węgla.

3 Historia ogniw paliwowych
William Grove (1811 – 1896) Konstruktor pierwszego ogniwa paliwowego 1839r, Anglia Ogniwa paliwowe swoim początkiem sięgają I połowy XIX wieku gdy w 1839 roku Anglik William Grove skonstruował pierwsze ogniwo. Wykazał bowiem, że elektroliza wody, z której otrzymuje się tlen i wodór jest procesem odwracalnym. Ponieważ rozkład wody na wodór i tlen w procesie elektrolizy wymaga dostarczenia dużej ilości energii elektrycznej, to zapewne tę energię można wytwarzać w procesie odwrotnym Wikipedia.org

4 Historia ogniw paliwowych
W 1950 roku NASA rozpoczęła pracę nad zastosowaniem ogniw paliwowych w ramach kilkuset projektów badawczych, a w 1960 roku wystartował wahadłowiec Apollo z ogniwem zasadowym. Dziesięć lat później wahadłowiec Columbia korzystał z pracy takiego samego ogniwa. Jednak w ciągu kolejnych kilku dziesięcioleci, zainteresowanie ogniwami paliwowymi znacznie zmalało, głownie ze względu na ich bardzo wysokie koszty produkcji. Wahadłowiec Apollo wyposażony w zasadowe ogniwo paliwowe (1960r) – pierwsze zastosowanie na wielką skale Wikipedia.org

5 Zasada działania ogniwa paliwowego wodorowo - tlenowego
Woda + En. elektryczna  Wodór + Tlen + - H2 O2 Wodór + Tlen (pow.)  Woda + En. elektryczna O 2 Elektroliza wody Ogniwo paliwowe Elektrolit Jak już na wstępie zdefiniowano, ogniwami paliwowymi nazywamy elektrochemiczne układy prądotwórcze, które zasilane są w sposób ciągły substratami reakcji elektrodowych, przy równoczesnym ciągłym odprowadzaniu produktów tych reakcji. Substratami reakcji są przede wszystkim gazy, a w niektórych przypadkach także ciecze. W ogniwach tych zachodzą złożone procesy elektrochemiczne spowodowane katalitycznym utlenianiem paliwa (wodoru lub węglowodorów) na anodzie i redukcja tlenu na katodzie. Produktami procesów elektrochemicznych są: energia elektryczna, ciepło i woda, a w przypadku użycia węglowodorów także dwutlenek węgla. W ogniwach paliwowych zachodzi więc spalanie paliwa i zamiana energii chemicznej na energię elektryczną. Ogniwa paliwowe pracują ze znacznie wyższą efektywnością niż tradycyjne silniki cieplne Ogniwa-paliwowe.com

6 Zasada działania ogniwa paliwowego wodorowo - tlenowego
Silniki spalania wewnętrznego Ogniwa paliwowe Paliwo Utleniacz Paliwo Utleniacz                 e = Ogniwa paliwowe pracują ze znacznie wyższą efektywnością niż tradycyjne silniki cieplne. Epsilon - sprawność Praca mechaniczna Elektryczność Ciepło Ciepło Ogniwa-paliwowe.com

7 Budowa ogniw paliwowych
Schemat ogniwa płytowego Ogniwa-paliwowe.pl

8 Budowa ogniw paliwowych
Schemat ogniwa rurowego „Ogniwa paliwowe” - dr inż.. Piotr Jasiński

9 Zasada działania ogniwa paliwowego PEMFC
Zasilanie: czysty wodór. • Anoda i katoda: z platyny (Pt) lub rutenu (Ru). • Membrana wykonana z polimeru np. politetrafluoroetylen (PTFE). • Temperatura pracy: 75 ºC. • Sprawność w produkcji energii elektrycznej do 65% i ma ła ilość wydzielanego ciep ła. • Krotki czas rozruchu. • Zastosowanie: do nap ędu pojazdów, stacjonarnych i przeno śnych generatorów energii

10 Zasada działania ogniwa paliwowego AFC
Pierwsze ogniwo u żywane w kosmonautyce. • Anoda i katoda: Au, Pt, Ag, Ni, tlenki metali lub spinele. • Elektrolit: roztwór KOH. • Reakcja zachodzi w temp ºC. • Temperatura reakcji zale ży od stężenia roztworu KOH. • W y ższa temp. - w y ższa sprawność ogniwa. • Wymagaj ą paliwa o du żej czysto ści: wodór lub metanol. • Zastosowanie : na promie kosmicznym Apollo.

11 Zasada działania ogniwa paliwowego PAFC
Anoda: Pt+Ru na pod ł o żu w ęglowym. • Katoda: Pt na pod ł o żu w ęglowym. • Elektrolit: kwas fosforowy (H 3PO 4) w os łonie z w ęglika krzemu i PTFE. • Reakcja zachodzi w temp. 210 ºC. • Sprawność ok. 40 %, para wodna mo że by ć przetwarzana na ciep ło. • Zaleta: wysoka tolerancja na tlenki w ęgla co pozwala na stosowanie wielu paliw (wa żne jest odsiarczanie paliwa). • Zastosowanie: do budowy systemów kogeneracji energii elektrycznej i ciep ła.

12 Zasada działania ogniwa paliwowego MCFC
Anoda: stopy Ni-Al lub Ni-Cr. • Katoda: NiO lub Li 2O. • Elektrolit: stopiony w ęglan litu i potasu (Li 2CO 3/K 2CO 3) lub litu i sodu (Li 2CO 3/Na 2CO 3) w osnowie ceramicznej na bazie aluminium (LiAl 2 O 3). • Temperatura reakcji w ogniwie: 650 ºC. • Stosowane paliwa: wodór, gaz LPG, biogaz, metanol, benzyna, propan. • Zastosowanie: w elektrowniach ma łej i średniej mocy.

13 Zasada działania ogniwa paliwowego SOFC
Na katodzie tlen zawarty w powietrzu ulega dysocjacji. W wyniku tego procesu powstają jony O2-. Jony tlenu przemieszczają się pod wpływem zewnętrznego gradientu ciśnienia tlenu w kierunku anody i reagują z paliwem na granicy elektrolit/anoda. Pomiędzy anodą i katodą powstaje różnica potencjałów. • Dla pojedynczego ogniwa otrzymuje się napięcie rzędu 1.1– 1.2V , w przypadku dołączonego odbiornika napięcie spada do poziomu ok. 0.6–0.9V, natomiast gęstość prądu wynosi ok. 0.8 A/cm2. Pozostała część energii chemicznej jest dostępna w postaci ciepła, które może być wykorzystane w dołączonej turbinie parowej/gazowej. • Gotową do wykorzystania moc uzyskuje się łącząc ogniwa równolegle w stosy, w ten sposób otrzymuje się potrzebne napięcie i gęstość prądu. Anoda: spiek Ni/YSZ, o zawarto ści 30 % Ni. • Katoda: zwi ązek (A, Ln)MO3- δ, gdzie: A = Ca, Sr lub Ba. M = Co, Mn, Ga, Fe, Bi. • Membrana: (ZrO 2 + Y 2 O 3) – bardzo dobry przewodnik jonów tlenu w wysokich temp. • Temperatura reakcji w ogniwie: ºC. • Stosowane paliwa: w ęglowodory gazowe. • Nie w r a żliwe na zanieczyszczenia paliwa tlenkami w ęgla i siark ą. • Sprawność kogeneracji energii elektrycznej i ciep ła – 85 %. • Zastosowanie: w stacjonarnych generatorach energii elektrycznej i ciep ła.

14 Zestawienie cech różnych typów ogniw
Typ ogniwa Elektrolit Temperatura pracy [st. C] Sprawność (generacja energii elektrycznej/kogeneracja) Zastosowanie Paliwo PEM (Proton Exchange Membrans) Polimer w stanie stałym 75 35 – 60 % Urządzenia UPS, baterie przenośne, elektrownie małej mocy, generatory energii i ciepła, przemysł motoryzacyjny, zastosowania mobilne Wodór AFC (Alkaline Fuel Cell) Roztwór KOH <80 % Militarne, kosmonautyka DMFC (Direct Metanol Fuel Cell) 35 – 40 % Urządzenia przenośne, baterie Metanol, roztwór metanolu i wody PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) Kwas Fosforowy 210 % Generatory stacjonarne Wodór, metanol, metan, biogaz, gaz LPG i inne gazy hydrokarbonowe MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) Stopiony węglan Li/K 650 40 – 50 % Duże elektrownie i generatory, urządzenia CHP (Combined Heat & Power) Wodór, metanol, metan, biogaz, gaz LPG i inne gazy hydrokarbonowe, reforming wewnętrzny SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) Ceramika tlenkowa 650 – 1000 45 – 60 / 85 % Opracowanie własne na podstawie: ogniwa-paliwowe.com

15 Klasyfikacja ogniw paliwowych
Ogniwa niskotemperaturowe (75-80) ºC (AFC, PEMFC oraz DMFC). Ogniwa średniotemperaturowe (210 ºC) (PAFC). Ogniwa drugiej generacji (do 650 ºC) (MCFC). Ogniwa trzeciej generacji (650 – 1000) ºC (SOFC) Ogniw a niskotemperaturowe (75-80) ºC - znajduj ące zastosowanie jak o przeno śne źródła energii (telefony komórkowe, przeno śne komputery itp.) Do tej klasy ogniw należą : Solid Polymer Elektrolyte Fuel Cell w skrócie (PEMFC), Direct Metanol Fuel Cell (DMFC) i ogniwa Alkaline Fuel Cell w skrócie (AFC). • Ogniw a średniotemperaturowe (210 ºC) - zwane równie ż ogniwami pierwszej generacji maj ąc ymi zastosowanie w elektrowniach osi ągaj ących moc do 11 MW. Do tej klasy nale ży Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC). • Ogniw a drugiej generacji (do 650 ºC). Prototypy tego ogniwa osi ągaj ą moc do 100 kW. Prace nad tego typu ogniwami s ą aktualnie w fazie silnego roz woju. Przedstawicielem drugiej generacji ogniw jes t ogniwo Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC). • Ogniw a trzeciej generacji (650 – 1000) ºC - Solid O xide Fuel Cell (SOFC) wzbudzaj ące najwi ęcej zainteresowania ze wzgl ędu na swoj ą wydajność i wszec hstronność zastosowa ń. Ze wzgl ędu na wysok ą temperatur ę pracy dochodz ąc ą do 1000 ºC planuje si ę łączenie tego typu ogniw w obiegi z turbinami gazowy mi lub parowymi. Wydajność pojedynczego ogniwa si ęga 60%, a w obiegu z turbin ą gazow ą (układ ci śnieniowy) nawet do 85%. Ogniwa-paliwowe.com

16 Typowe zastosowanie ogniw paliwowych
Komunikacyjne Przenośne Stacjonarne Moc [W] 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M PEMFC PAFC Zakres mocy AFC MCFC SOFC Opracowanie własne na podstawie: „Ogniwa paliwowe – rozwój i stan obecny” dr inż.. Piotr Jasiński

17 Zastosowanie ogniw paliwowych
Ogniwa-paliwowe.com

18 Zastosowanie ogniw paliwowych
Honda FCX Obecnie niemal każda liczaca się na rynku firma motoryzacyjna prowadzi zaawansowane testy pojazdu napędzanego ogniwami paliwowymi. Obecnie opłacalność pojazdu FCV (Fuel Cell Vehicle), dorównuje współczesnym hybrydom. Wraz z upowszechnieniem się technologii ogniw paliwowych, pojazdy FCV staną się z pewnością bardzo popularne. Zalety ogniw paliwowych jako napędu środków transportu to: wysoka sprawność (65% dla ogniwa paliwowego w porównaniu z 35% dla silnika spalinowego), brak wibracji i hałasu towarzyszącego wytwarzaniu energii, produkcja energii bezpośrednio napędzającej silniki elektryczne, brak spalania paliwa w czasie postoju, stałość momentu obrotowego i wiele innych. Według zapowiedzi producentów, pierwsze FCV trafią do seryjnej produkcji jeszcze przed rokiem Obecnie głównym problemem w komercjalizacji samochodów FCV jest ich wysoka cena. Technologie ogniw paliwowych objęły także pozostałe segmenty środków transportu, jednak nie jest to tak zauważalne, jak w przypadku samochodów. Istnieją już bezzałogowe samoloty zasilane ogniwami paliwowymi, motory, a nawet wózki inwalidzkie czerpiące energię z wykorzystaniem tej technologii. Audi A7 h-tron z ogniwem paliwowym zasilanym wodorem (2015r)

19 Zastosowanie ogniw paliwowych
„kartridż” z butanem Wielkość paczki papierosów Ładowarka telefonu komórkowego firmy Lilliputian Systems (2013r) Pozwala na 14-krotne naładowanie akumulatora 1400 mAh (smartfona)

20 Perspektywy zastosowania
Wykorzystanie do zasilania telefonów komórkowych, komputerów przenośnych, domów i mieszkań oraz elektrycznych silników samochodowych. Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 40% - 60%, zaś emisję tlenków azotu o 50% - 90%. Na podstawie: Ogniwa-paliwowe.com

21 Wpływ na środowisko Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody uzyskiwania stosowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być używane jako pierwotne źródło energii, lecz konieczne jest wytwarzanie stosowanego w nich wodoru. Chociaż wytwarzanie wodoru w procesie elektrolizy ma dość dużą sprawność, to w połączeniu z tym, że przy stosowaniu w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod dużymi ciśnieniami to całkowita sprawność ogniw może spaść poniżej poziomu najwydajniejszych z silników spalinowych. Inną metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu w procesie reformingu parowego, który ma sprawność około 80%. Produktem ubocznym tego procesu jest dwutlenek węgla, jednak szkodliwość dla środowiska jest ograniczona, gdyż w przeciwieństwie do silników spalinowych dwutlenek węgla nie jest emitowany do atmosfery przez każdy pojazd, lecz powstaje w miejscu wytwarzania wodoru, dzięki czemu można go wykorzystać. Wpływ stosowania kopalnianych źródeł energii (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny itp.) na zanieczyszczenie środowiska stawia ogniwa paliwowe w doskonałej pozycji jako alterntywne źródło zasilania, obojętne lub prawie obojętne dla środowiska naturalnego. Wikipedia.org

22 Ogniwa paliwowe - podsumowanie
Obecnie najszerzej badane są ogniwa o topografii płaszczyzny. Ogniwa tego typu są obecnie najtańszymi w produkcji i potencjalnie najbardziej nadają się do zastosowań komercyjnych. Płytowe ogniwa pozwalaj ą na uzyskanie gęstości mocy na poziomie ≈ 3MW/m3. Mniejsze koszty produkcji, prosta kontrola jakości i większa gęstość mocy pozwala przypuszcza ć, że płytowa konstrukcja ogniwa paliwowego będzie dominowa ć w przyszłych instalacjach komercyjnych. Aktualnie wysiłki skierowane są na pozyskanie odpowiednich materiałów pozwalających na łączenie ogniw SOFC o konstrukcji płytowej w stosy o większej mocy oraz obniżenie temperatury pracy ogniwa. Wpływ stosowania kopalnianych źródeł energii (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny itp.) na zanieczyszczenie środowiska stawia ogniwa paliwowe w doskonałej pozycji jako alternatywne źródło zasilania, obojętne lub prawie obojętne dla środowiska naturalnego. Na podstawie: Ogniwa-paliwowe.com