docSlajd 1
download 
Reklamacja Transkrypt
Slajd 1
2013-06-12 Elektroceramika Zastosowanie Przewodników Jonowych SOFC Elektroceramika Historia IDEA WYKONANIE Jeżeli przepływ prądu powoduje rozkład wody na tlen i wodór to synteza wody, w odpowiednich warunkach musi prowadzić do powstania różnicy potencjałów. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839 William Grove, On the Gas Voltaic Battery. Philosophical Magazine and Journal of Science, 1843 Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Elektrochemia Ogniwo Paliwowe: Urządzenie wytwarzające energię elektryczną drogą bezpośredniej zamiany energii chemicznej na elektryczną z pominięciem przemian cieplnych; V e e- utleniacz O2 2- O Fizycznie rozdzielone przestrzenie reakcyjne: H2O Utlenianie: Redukcja: Sumarycznie: H2 paliwo katoda elektrolit anoda Utlenianie: Redukcja: Sumarycznie: transport wodoru 2 H2 → 4 H+ + 4 eO2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O 2 H2 + O2 → 2 H2O transport tlenu 2 H2 + 2 O2- → 2 H2O + 4 eO2 + 4 e- → 2 O22 H2 + O2 → 2 H2O Zastosowanie Przewodników Jonowych 1 2013-06-12 Elektroceramika Termodynamika Reakcja sumaryczna: 2 H2 + O2 → 2 H2O + W + Q Całkowita zmiana energii swobodnej: Dla reakcji spalania wodoru: • DS < 0; • DH << 0; • DG < 0 więc reakcja jest samorzutna. DG = DH – TDS Potencjał elektrochemiczny reakcji (potencjał Nernsta): E rev - DG nF Entalpia określa maksymalny efekt cieplny związany z reakcją: DH = - n·F·Eterm Zmiana entropii związana jest głównie ze zmianą ilości moli substancji gazowych: 2 mole wodoru + 1 mol tlenu → 2 mole wody Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Wydajność ogniwa Wydajność odwracalna (teoretyczna): w DG E rev DH E ther Wydajność napięciowa (Nernst): w E E rev w i ifar Wydajność prądowa (Faraday): Wydajność zużycia reagentów: w n react n total Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Potencjał Nernsta: E cell DG nF Napięcie w obwodzie zewnętrznym: gęstość prądu Nadnapięcie Vcell Ecell - I R - Maksymalną gęstość prądu i wynikającą z tego moc limitują: rezystancja całego obwodu oraz nadnapięcie. Obydwie wielkości, determinowane właściwościami materiałów oraz geometrią urządzenia, powinny być minimalne. napięcie Źródło Energii Silniki Spalinowe Elektrownia Ogniwo Paliwowe Wydajność 20 – 25 % 35 – 40 % 50 – 60 % Zastosowanie Przewodników Jonowych 2 2013-06-12 Elektroceramika Nadnapięcie Nadnapięcia (V) na katodzie dla różnych materiałów w stosunku do H2 Prąd, mA·cm-2 Materiał Pt Au Fe Pb Hg 10 100 0,1 0,56 0,56 1,09 1,10 0,39 0,77 0,82 1,20 1,18 Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Wydajność ogniwa Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Parametry pracy Zastosowanie Przewodników Jonowych 3 2013-06-12 Elektroceramika Równanie Butlera-Volmera - nF 1- nF i i0 e RT - e RT – współczynnik symetrii reakcji elektrodowych Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Rodzaje Fosforowe Ogniwo Paliwowe (PAFC) United Technologies, 250 kW Ciekło-Węglanowe Ogniwo Paliwowe (MCFC) FuelCell Energy, 250 kW Polimerowe (Protonowe) Ogniwa Stałe (PCFC - PEM) Ballard, 1,3 kW Alkaliczne Ogniwo Paliwowe (AFC) United Technologies, 12 kW Tlenkowe Ogniwa Paliwowe (SOFC) Siemens-Westinghouse, 200 kW Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Rodzaje AFC Zastosowanie Przewodników Jonowych 4 2013-06-12 Elektroceramika Rodzaje MCFC Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Rodzaje PAFC Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika Ogniwa Paliwowe – Rodzaje SOFC Zastosowanie Przewodników Jonowych 5 2013-06-12 Elektroceramika Porównanie Typ Akronim Elektrolit Temperatura, °C Wydajność, % Gęstość Mocy, kWm-2 Alkaliczne AFC wodorotlenek potasu 50 – 200 45 – 60 70 dla CHP 0,7 – 8,1 Polimerowe PCFC polimer 50 – 100 35 – 55 3,8 – 13,5 Fosforowe PAFC kwas fosforowy 160 – 210 40 – 50 0,8 – 1,9 Węglanowe MCFC węglan potasu 600 – 800 50 – 60 80 dla CHP 0,1 – 1,5 Tlenkowe SOFC dwutlenek cyrkonu 800 - 1000 50 – 65 75 dla CHP 1,5 – 5,0 Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC Urządzenie firmy Westinghouse, 1176 równolegle połączonych ogniw w systemie rurowym, moc 100 kW, produkcja prądu zmiennego i gorącej wody, zasilanie gazem ziemnym, ponad 36 750 godzin bezawaryjnej pracy, wciąż działające instalacje w USA, Holandii, Niemczech i Włoszech. Koszt kW to ok. 780$. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC Katoda niskie nadnapięcie, wysokie prądowe, LM, LSCM, LSCS, SSC gęstości Zastosowanie Przewodników Jonowych 6 2013-06-12 Elektroceramika SOFC Katoda Jak obniżyć nadnapięcie? Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC Katoda niskie nadnapięcie, wysokie prądowe, LM, LSCM, LSCS, SSC gęstości Elektrolit wysoka przewodność jonowa Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC Katoda niskie nadnapięcie, wysokie prądowe, LM, LSCM, LSCS, SSC gęstości Elektrolit wysoka przewodność jonowa Anoda Ni+YSZ, Ni+NiO+YSZ, Zastosowanie Przewodników Jonowych 7 2013-06-12 Elektroceramika SOFC Katoda niskie nadnapięcie, wysokie prądowe, LM, LSCM, LSCS, SSC gęstości Elektrolit wysoka przewodność jonowa Anoda Ni+YSZ, Ni+NiO+YSZ, Interkonektory przewodnictwo, reaktywność, właściwości mechaniczne, stal chromowa Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC kolektor katodowy katoda elektrolit anoda Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC - Układ Planarny Zastosowanie Przewodników Jonowych 8 2013-06-12 Elektroceramika SOFC – Układ Rurowy Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC Moc właściwa, W·cm-2 rurowy planarny (0,2-0,35) niska (0,6-2,0) wysoka niska wysoka Gęstość mocy, W·cm-3 Koszt wytworzenia, $/kW Uszczelnienie HT zużycie wysoki niski niekonieczne konieczne nieobserwowane 1-4 %/1000 h Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika SOFC – ogniwo jednokomorowe Jednokomorowe ogniwo paliwowe – Hibino, 2002 Anoda: CH4 + ½ O2 → CO + 2 H2 (reakcja chemiczna) H2 + O” → H2O + 2e- (reakcja elektrochemiczna) CO + O” → CO2 + 2e- (reakcja elektrochemiczna) Katoda: ½ O2 + 2e- → O” (reakcja elektrochemiczna) Wydajność 467 mW/cm2 w 500°C uzyskano na ogniwie działającym w mieszaninie metan – powietrze zbudowanym z: Pd-Ni-CeO2 (anoda) oraz Sm0.5Sr0.5CoO3 (katoda). Zastosowanie Przewodników Jonowych 9 2013-06-12 Elektroceramika BioFC • Biologiczny sensor-transmiter; • Źródło prądu o niskiej mocy do zasilania biomikroelektroniki (chipy); • Produkcja energii związana z rozkładem zanieczyszczeń w ściekach; Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika PEMFC - Gemini Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektroceramika AFC - Apollo Zastosowanie Przewodników Jonowych 10
