Φίλιππος Μπρέζας & Κωνσταντίνος-Στέφανος Νίκας

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Φίλιππος Μπρέζας & Κωνσταντίνος-Στέφανος Νίκας"

Σαούλ Σπυρόπουλος
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Heriot-Watt University Technological Education Institute of Piraeus Φίλιππος Μπρέζας & Κωνσταντίνος-Στέφανος Νίκας 3 Δεκεμβρίου 2011, Αθήνα

2 Περίληψη Εισαγωγή Δημιουργία πλέγματος & μοντελοποίηση CFD Διακρίβωση μοντέλου Παραμετρική ανάλυση Αποτελέσματα & Συμπεράσματα Μελλοντική έρευνα

3 Κυψέλες Καυσίμου Hλεκτροχημικές συσκευές μετατροπής ενέργειας Μετατρέπουν το καύσιμο σε ηλεκτρικό ρεύμα, θερμότητα και υποπροιόν Πολλά υποσχόμενη εναλλακτική πηγή ενέργειας Λειτουργεί μονο στη ζήτηση

4 Τύποι Κυψέλων Καυσίμου Χωρίζονται σε 5 κύριες ομάδες: Κυψέλη Μεμβράνης Ανταλλαγής Πρωτονίων, Ισχύος (W) Θ ( C) Απόδοσης 30W 500kW % Κυψέλη Καυσίμου Φωσφορικού Οξέος, Κυψέλη Καυσίμου με Τετηγμένα Ανθρακικά άλατα, Κυψέλες Καυσίμου Στερεών Οξειδίων, Αλκαλικές Κυψέλες Καυσίμου Ίδιες βασικές αρχές Διαφορετικό: Καύσιμο, Θερμοκρασία, Απόδοση

Φωσφορικού Οξέος, Κυψέλη Καυσίμου με Τετηγμένα Ανθρακικά άλατα, Κυψέλες Καυσίμου

5 Κυψέλες PEM Απαιτεί Υδρογόνο και οξυγόνο (κυρίως ατμοσφαιρικού αέρα) ως αντιδρώντα Χαμηλή λειτουργίας Υποπροιόν το νερό θερμοκρασία Κατάλληλο για φορτητές συσκευες, αυτοκίνητα και παραγωγή ενέργειας Μεγάλο κόστος του χρυσού ή πλατινένιου καταλύτη /kw Υδρογόνο Θετικά (+) Δεν είναι ρυπαντής Αφθονία υδρογόνου Υψηλή ενεργειακή περιεκτικότητα Παραγωγή υδρογόνου απο Αεριοποίηση / Αναμόρφωση Βιομάζας ή Πυρόλυση Βιομάζας Αρνητικά (-) Δεν ειναι ελέυθερο στη γή. Ανάγκαια κατανάλωση ενέργειας & κοστους για τη παραγωγή του (0.60 /kwh). Αποθήκευση (14 φορές ελαφρύτερο απο τον αέρα)

ρυπαντής Αφθονία υδρογόνου Υψηλή ενεργειακή περιεκτικότητα Παραγωγή υδρογόνου απο Αεριοποίηση / Αναμόρφωση Βιομάζας ή Πυρόλυση Βιομάζας Αρνητικά

6 Λειτουργία κυψέλης PEM Fc.swf

7 Επίδοση κυψέλης PEM Η επίδοση της κυψέλης καυσίμου εξαρτάται απο λειτουργικές παραμέτρους nn ffff = ΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗΗ ιιιιιιύςς (PP ffff) ΙΙΙΙΙΙύςς κκααύσσσσσσσσ (FF iiii ) Θερμοκρασία (V) Πίεση Σχετική υγρασία Σύνθεση αερίων Αξιοποίηση αντιδρόντων (A/cm²)

(PP ffff) ΙΙΙΙΙΙύςς κκααύσσσσσσσσ (FF iiii ) Θερμοκρασία (V)

8 Μοντελοποίηση κυψέλης PEM Ηλεκτροχημική μοντελοποίηση Εξίσωση Butler Volmer Εξίσωση αρχή διατήρησης μάζας Υγρού σχηματισμού νερού Μεταφορών Εξίσωση συνέχειας Εξίσωση αρχης διατήρητης ορμής και ενέργειας Εξίσωση ειδών μεταφοράς

Υγρού σχηματισμού νερού Μεταφορών Εξίσωση συνέχειας

9 Πειραματικά δεδομένα Η διακρίβωση για τη μοντελοποίηση σε CFD επικυρώθηκε με τα πειραματικά δεδομένα του Δρ Wang έρευνα με πραγματική κυψέλη καυσίμου PEM με τίτλο A parametric study of PEM fuel cell performance δημοσιευμένη στο International Journal of Hydrogen Energy το Επιδράσεις των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας για την απόδοση των μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (ΡΕΜ) κυψελών καυσίμου. 7.2x7.2εκ Διάταξη αγωγών ροής Σερπαντίνας Αντιρροής Μεβράνης Nafion 115

International Journal of Hydrogen Energy το 2003.

10 Γεωμετρία Μοντέλου

11 Πλέγμα Μοντέλου

12 Σύγκριση πειραματικων δεδομένων και υπολογιστικών αποτελεσμάτων 1 0,9 Τάση κελιού (V) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Πυκνότητα Ρεύματος (A/cm2)

13 Λειτουργικοί Παράμετροι 3atm 80 C Γενικό Μοντέλο Περιεκτικοτητα Υδρογόνου Περιεκτικότητα Οξυγόνου Τρέχουσα πυκνότητα ρευματος Κατανομή Θερμοκρασίας Κατανομή Πίεσης

14 Παραμετρική ανάλυση 32 Διαφορετικές περιπτώσεις Ορισμένοι παράμετροι, ή ομάδες παραμέτρων αλλάζουν με μια σειρά συνθηκών λειτουργίας, προκειμένου να διερευνηθεί πώς επηρεάζουν την απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Θερμοκρασία: C Πίεση: 1-10atm Υγρασία Ανόδου/Καθόδου: 0-100% Σταθερή τάση: v

να διερευνηθεί πώς επηρεάζουν την απόδοση της κυψέλης καυσίμου.

15 Επίδραση Θερμοκρασίας (1/4)

16 Επίδραση Θερμοκρασίας (2/4) Επίδραση του νερού στη πρωτονιακή αγωγιμότητα

17 Επίδραση Θερμοκρασίας (3/4) Περιεκτικότητα νερού στη μεμβράνη 20 C 70 C 90 C 100 C 150 C 200 C

18 Επίδραση Θερμοκρασίας (4/4) 20 C 70 C 200 C Κατανομή Πίεσης

19 Επίδραση Πίεσης (1/4)

20 Επίδραση Πίεσης (2/4)

21 Επίδραση Πίεσης Λειτουργίας (3/4) Περιεκτικότητα νερού στη μεμβράνη 1atm 2atm 3atm 6atm 10atm

22 Επίδραση Πίεσης (4/4) 1atm 3atm 10atm Κατανομή Θερμοκρασίας

23 Επίδραση Υγρασίας Ανόδου/Καθόδου (1/3)

24 Επίδραση Υγρασίας Ανόδου/Καθόδου (2/3) Τρέχουσα ροή πυκνότητας ρευματος 0% 50% 100% 10% 10% 10% 62% 62% 62% 0% 50% 100%

25 Επίδραση Υγρασίας Ανόδου/Καθόδου (3/3) Περιεκτικότητα νερού στη μεμβράνη 0% 10% 62% 0% 50% 10% 62% 50% 100% 10% 62% 100%

26 Συμπεράσματα (1/2) Πολύ καλή συμφωνία μεταξύ πειραματικών δεδομένων και υπολογιστικών αποτελεσμάτων Η επίδοση της κυψέλης καυσίμου PEM αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας μεχρι του 70 C, γιατι η αύξηση της θερμοκρασία αυξάνει την υγρασία στα αντιδρώντα και ετσι βελτιώνεται η ηλεκτροχημική αντίδραση από τις αυξημένες μοριακές ενεργητικές συγκρούσεις. Πάνω από 100 C, η περιεκτικότητα νερού στη μεμβράνη είναι εξαιρετικά περιορισμένη, λόγω της εξάτμισης και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της πρωτονιακής αγωγιμότητας. Όσο η πίεση λειτουργίας αυξάνεται τοσο αυξανεται και η επίδοση αυξάνεται γιατι η πίεση γιατί οι υψηλές τιμές πίεσης βελτιώνουν τόσο την κινητική αντίδραση κυψελών καυσίμου όσο και τη διαδικασία μεταφοράς μάζας.

27 Συμπεράσματα (2/2) Όταν είτε η ανοδος είτε η κάθοδος έχουν μηδενική υγρασία (0%) η επίδοση της κυψέλης είναι πολλή μικρή γιατί σε κάθε περίπτωση η πρωτονιακή αγωγιμότητα είναι χαμηλή. Η επίδοση της κυψέλης καυσίμου αυξανεται όταν ανοδος και καθοδος έχουν υγρασία 25-30%. Βέλτιστες συνθήκες κυψέλης καυσίμου PEM Θερμοκρασία λειτουργίας: 70 C Πίεση λειτουργίας: 3atm Υγρασία Ανόδου (H₂): 25% Υγρασία Καθόδου (Air): 45%

28 Προτάσεις για μελλοντική έρευνα Παραμετρική μελέτη με διαφορετίκη γεωμετρία κυψέλης. Έρευνα ολόκληρης κυψέλης και όχι μόνο ενός μέρους. Παραμετρική ανάλυση με περισσότερες τάσεις.

29 Ευχαριστώ για τη προσοχή σας

Σχετικά έγγραφα

ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕ ΤΙΤΛΟ : «ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ» ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc ΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΥΨΕΛΙ ΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ