Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ευάγγελος Μπουλμέτης του Παναγιώτη Αριθμός Μητρώου: 5707 Θέμα «Μελέτη της συμπεριφοράς διεσπαρμένης παραγωγής από σταθμό με κυψέλες καυσίμου που συνδέεται σε ένα μικροδίκτυο» Επιβλέπων Καθηγητής Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάιος 2010

2 - 2 -

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη της συμπεριφοράς διεσπαρμένης παραγωγής από σταθμό με κυψέλες καυσίμου που συνδέεται σε ένα μικροδίκτυο» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ευάγγελος Μπουλμέτης του Παναγιώτη Αριθμός Μητρώου: 5707 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνης Αλεξανδρίδης Καθηγητής - 3 -

4 - 4 -

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέ μα: «Μελέτη της συμπεριφοράς διεσπαρμένης παραγωγής από σταθμό με κυψέλες καυσίμου που συνδέεται σε ένα μικροδίκτυο» Φοιτητής: Επιβλέπων: Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη ενός μοντέλου κυψέλης καυσίμου (Fuel Cell), το οποίο θα αποτελέσει το βασικό στοιχείο της διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας από ένα σταθμό με τέτοιες κυψέλες που θα τροφοδοτεί ένα μικροδίκτυο. Η μελέτη θα περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη σύνδεση σε ένα δίκτυο. Συγκεκριμένα, θα περιλαμβάνει τον ανυψωτή τάσης (boost converter) ο οποίος είναι υπεύθυνος για την ανύψωση της συνεχούς τάσης εξόδου της στοίβας κυψελών καυσίμου, τον αντιστροφέα (inverter) ο οποίος θα μετατρέπει την συνεχή τάση εξόδου του ανυψωτή σε εναλλασσόμενη με το επιθυμητό πλάτος κ συχνότητα, κ τέλος θα περιλαμβάνει το σύστημα ελέγχου το οποίο θα προσπαθεί να ικανοποιεί τις ενεργειακές ανάγκες κάθε φορτίου ρυθμίζοντας κατάλληλα τις παραμέτρους των προηγούμενων μερών

6 - 6 -

7 Abstract The currnet diploma thesis deal with the development of a PEM fuel cell, which will be the basic component of a distributed power system connected to a microgrid. This study will contain all the necessary components for a connection to the main grid. There will be boost converter to boost the output voltage of the fuel cell stack, an inverter to convert the dc voltage to ac-voltage with specific voltage amplitude and frequency. Moreover, there will be a control system which will be able to fulfill all the power requirements of the loads, regulating the parameters of the previous components

8 - 8 -

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο ΔΙΚΤΥΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εισαγωγή Διανεμημένη Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας (Distributed Generation) Μικροδίκτυα Μια Πρόταση για το Μέλλον Κεφάλαιο ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Εισαγωγή Τι Είναι η Κυψέλη Καυσίμου; Πλεονεκτήματα κυψελών καυσίμου Περιορισμοί που είναι κοινοί σε όλα τα συστήματα κυψελών καυσίμου Γιατί Χρειαζόμαστε τις Κυψέλες Καυσίμου; Τομέας φορητότητας Κυψέλες καυσίμου στον τομέα των μεταφορών Χρήση κυψελών καυσίμου σε κτιριακές εγκαταστάσεις Τύποι Κυψελών Καυσίμου Κυψέλες μεμβράνης πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEMFC) Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (Alkaline Fuel Cell) Κυψέλες Φωσφορικού Οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell) Κυψέλες στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cells) Κυψέλες τήγματος ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cells) Κυψέλες με απευθείας μεθανόλη (Direct Methanol Fuel Cells) Αναστρέψιμες κυψέλες καυσίμου (Reversible Fuel Cells) Κυψέλες Ψευδαργύρου (Zinc Fuel Cell) Συνοπτική παρουσίαση Κεφάλαιο ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ (PEMFC) Εισαγωγή Σύστημα Μεμβράνης Ηλεκτροδίων Μεμβράνη Ηλεκτρόδια Τα δομικά στοιχεία μιας κυψέλης καυσίμου Πλεονεκτήματα της Κυψέλης Καυσίμου PEMFC Μειονεκτήματα της Κυψέλης Καυσίμου PEMFC

10 3.6 Συστοιχίες Κυψελών Καυσίμου Συστήματα Υποστήριξης μιας Κυψέλης Καυσίμου PEMFC και Εφαρμογές Κεφάλαιο ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ Μαθηματικά Μοντέλα στη Βιβλιογραφία Δημιουργία Μαθηματικών Μοντέλων Μια Παραλλαγή των Βασικών Βημάτων Ενέργεια και ΗΕΔ μιας Κυψέλης Καυσίμου Υδρογόνου Απόδοση και Όρια Απόδοσης Απόδοση και Τάση Κυψέλης Επίδραση της Πίεσης και Εξίσωση Nernst Τάση Κυψέλης Καυσίμου σε Πραγματική Λειτουργία Απώλειες Ενεργοποίησης Εξίσωση Tafel Οι σταθερές στην εξίσωση Tafel Μείωση των απωλειών ενεργοποίησης Fuel Crossover & Internal Currents Ωμικές Απώλειες Απώλειες Μεταφοράς Μάζας και Συγκέντρωσης Συνδυάζοντας τις Απώλειες Τελική Τάση Εξόδου Φαινόμενο Φορτίου Διπλού Στρώματος (Double Layer Charging Effect) Σχεδιασμός Μοντέλου Κυψέλης Καυσίμου Υδρογόνου στο PSCAD Κατασκευή της εξίσωσης Nernst Κεφάλαιο ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΟΣ ΑΝΥΨΩΤΗ ΤΑΣΗΣ Εισαγωγή Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης Περιοχές Λειτουργίας Λειτουργία Συνεχούς αγωγής Λειτουργία Ασυνεχούς αγωγής Οριακή κατάσταση λειτουργίας Παλμοδότηση του Ανυψωτή Τάσης και Σύστημα Ελέγχου Προσομοίωση του Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης στο Πρόγραμμα PSCAD Προσομοίωση του Κυκλώματος Παραγωγής της Τριγωνικής Κυματομορφής στο Πρόγραμμα PSCAD Προσομοίωση του Κυκλώματος Παλμοδότησης του IGBT

11 5.8 Προσομοίωση του Κυκλώματος Ελέγχου στο Πρόγραμμα PSCAD Αποτελέσματα εξομοίωσης Manual duty cycle PI-controlled duty cycle Κεφάλαιο ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΚΑΘΟΡΙΣΜΕΝΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Εισαγωγή Κύκλωμα ισχύος του τριφασικού αντιστροφέα Ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών (SPWM) PWM ενός σκέλους Μονοφασικός αντιστροφέας Παρατηρήσεις για το Σχήμα 6. 4(β) και Σχήμα PWM σε τριφασικό αντιστροφέα Παρατηρήσεις όσο αφορά το Σχήμα 6. 7(β) και το Σχήμα Προσομοίωση του Τριφασικού Αντιστροφέα Χωρίς Φίλτρα στο Πρόγραμμα PSCAD Αποτελέσματα Προσομοίωσης Χωρίς Φίλτρα Προσομοίωση του Τριφασικού Αντιστροφέα με Φίλτρα στο Πρόγραμμα PSCAD Υπολογισμός Χαμηλοπερατού Φίλτρου Αποτελέσματα Προσομοίωσης Με Φίλτρα Προσομοίωση του Τριφασικού Αντιστροφέα με Μετασχηματιστή Ανύψωσης Τάσης στο Πρόγραμμα PSCAD Κεφάλαιο ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΠΛΗΡΟΥΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Εισαγωγή Ανάλυση για την Επιλογή της Στοίβας Κυψελών Καυσίμου Ανάλυση των Προδιαγραφών του Αντιστροφέα Τάσης Επιλογή των Στοιχείων του Ανυψωτή Τάσης (Boost Converter) Υπολογισμός του πηνίου Υπολογισμός του πυκνωτή Κεφάλαιο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΠΛΗΡΟΥΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΑΝΟΡΘΩΤΗ ΤΑΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Εισαγωγή Προσομοίωση Κυψέλης Καυσίμου με Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης Προσομοίωση Κυψέλης Καυσίμου με Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης και Αντιστροφέα Τάσης

12 Κεφάλαιο ΔΙΕΣΠΑΡΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ (DISTRIBUTED GENERATION) ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟ (MICROGRID) Μικροδίκτυο Συστήματα αποθήκευσης ενέργειας για εφαρμογές σε μικροδίκτυα Εκκίνηση Μετά από Κατάρρευση του Συστήματος με Χρήση Διεσπαρμένης Παραγωγής σε Μικροδίκτυο Έλεγχος στα Μικροδίκτυα Τοπικοί έλεγχοι Συγκεντρωτικός Έλεγχος Αποκεντρωμένοι έλεγχοι Droop Control Έλεγχος με χρήση κλίσεων P-f και Q-V Βιβλιογραφία

13 Κεφάλαιο 1 ΔΙΚΤΥΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή Αξιολογώντας τις ανάγκες του ανθρώπου και των κοινωνιών σήμερα, αναπτυγμένων και αναπτυσσόμενων, αναμφίβολα θα κατατάσσαμε την ενέργεια στις πιο σημαντικές, μαζί με αυτές της διατροφής και της υγείας. Η ηλεκτρική ενέργεια πιο συγκεκριμένα αποκτά ολοένα και μεγαλύτερο μερίδιο στην παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση με ρυθμούς μάλιστα συνεχώς αυξανόμενους. Η παγκόσμια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από 4 τρις kwh όπου ήταν το 1970, έφτασε τις 13 τρις KWh το 2000, ενώ αναμένεται να ξεπεράσει τις 19 τρις kwh το έτος Ωστόσο, οι ραγδαίες κλιματικές αλλαγές, τα καταστροφικά καιρικά φαινόμενα, η μόλυνση του περιβάλλοντος, του αέρα, των υδάτων, του εδάφους, δεν απειλούν πλέον μεμονωμένες περιοχές αλλά αρχίζουν να γίνονται ορατές ακόμη και στους κατοίκους των ανεπτυγμένων χωρών. Η άνοδος της θερμοκρασίας παγκοσμίως, οφειλόμενη εν μέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, γίνεται πλέον συνείδηση ότι αποτελεί παγκόσμιο πρόβλημα που απαιτεί μακροχρόνιες στρατηγικές αντιμετώπισης. Και αυτό γιατί έχει αρχίσει να γίνεται πλέον φανερό ότι το οικονομικό και κοινωνικό κόστος που προκαλείται από την άνοδο της θερμοκρασίας και την μόλυνση του περιβάλλοντος είναι πολύ μεγαλύτερο από το κόστος για την αναζήτηση στρατηγικών αντιμετώπισης αυτού του φαινομένου. Ήδη πολλές περιοχές του πλανήτη πλήττονται από φαινόμενα που προκαλούνται από την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ οι πληθυσμοί τους αναγκάζονται να μεταναστεύσουν για αναζήτηση βιώσιμων τόπων. Η ανησυχία εντείνεται ακόμη περισσότερο καθώς νέες μελέτες έρχονται να συνδέσουν την μείωση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στη γη, με την ύπαρξη στην ατμόσφαιρα των αερίων του θερμοκηπίου. Συγκεκριμένα παρατηρείται μείωση της προσπίπτουσας στη γη ηλιακής ακτινοβολίας της τάξεως του 3% ανά δεκαετία, πράγμα που μεταφράζεται σε συνολική μείωση κατά 15% σε σχέση με τη δεκαετία του 50. Η αυξομείωση της φωτεινότητας και της θερμότητας

14 των ηλιακών ακτινών ενισχύεται τόσο από την ύπαρξη μεγάλων μαζών αερίων του θερμοκηπίου, όσο και από τις πυκνότερες και μεγαλύτερης διάρκειας νεφώσεις στις διάφορες περιοχές του πλανήτη. Η μεταβολή αυτή ενδέχεται να έχει περαιτέρω αρνητικές επιπτώσεις τόσο στην ίδια την αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, όσο και στην διαδικασία της φωτοσύνθεσης, άρα συνολικά στην χλωρίδα και στην αγροτική παραγωγή. Η παγκόσμια κοινότητα, ο Οργανισμός Ηνωμένων Εθνών, προκειμένου να αντιμετωπίσει αυτά τα σοβαρά προβλήματα, θέσπισε ήδη από το 1992 το πρωτόκολλο του Κιότο, μια συμφωνία μεταξύ των κρατών που προσπαθεί να μειώσει την εκπομπή των αερίων που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Παράλληλα, η συνείδηση ότι οι συμβατικές πηγές ενέργειας δεν είναι ανεξάντλητες άρχισε να θέτει στην επιστημονική κοινότητα το πρόβλημα της δημιουργίας τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Προς αυτή την κατεύθυνση συνέβαλαν και οι ενεργειακές κρίσεις των δεκαετιών του 70 και του 80, οι οποίες έκαναν επιτακτική την όσο το δυνατόν μεγαλύτερη απεξάρτηση των βιομηχανικών χωρών από το πετρέλαιο. Η βασική στροφή από τις συμβατικές πηγές είχε σα μονόδρομο τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δηλαδή την ενέργεια από πηγές που είναι πρακτικά ανεξάντλητες, όπως τον ήλιο, τον αέρα, τις υδατοπτώσεις και τη θερμότητα από τη γη. Το ίδιο αυξήθηκε το ενδιαφέρον για την παραγωγή καυσίμων από εναλλακτικές φυσικές πηγές όπως το φυτικό λάδι και την αιθανόλη (βιοντίζελ), τα απόβλητα και τα σκουπίδια (βιοαέριο), και το υδρογόνο. Ταυτόχρονα άρχισαν να αναζητούνται πρακτικές και τεχνολογίες που θα συμβάλλουν στην εξοικονόμηση της ενέργειας. Δεν είναι βέβαια μόνο οι πρώτες ύλες των οποίων η καύση συμβάλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου οι μοναδικοί παράγοντες που κλόνισαν τα σημερινά ενεργειακά μοντέλα. Ακόμη μεγαλύτερη είναι η πίεση για την απεξάρτηση από μια μορφή ενέργειας που αποτελεί μέχρι σήμερα βασικό πυλώνα πολλών ενεργειακών συστημάτων. Της πυρηνικής ενέργειας. Το σύνολο σχεδόν των πιο μεγάλων και ισχυρών κρατών (ΗΠΑ, Γαλλία, Γερμανία, Ρωσία, Ιαπωνία) παράγει ένα μεγάλο ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας από τα πυρηνικά καύσιμα. Τα ατυχήματα στο Three Mile Island (1979) και στο Τσερνομπίλ (1986) ήταν αυτά που δυνάμωσαν την

15 παγκόσμια ανησυχία για την πυρηνική ενέργεια και έκαναν και τους πιο δύσπιστους να αμφισβητούν τη χρήση της. Οι κυβερνήσεις, ήδη από τη δεκαετία του 1970, άρχισαν να πιέζονται για να σταματήσουν τη δημιουργία νέων πυρηνικών εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής, ενώ σήμερα πλέον, δεδομένη θεωρείται η θέληση των πολιτών τους για κλείσιμο πολλών από τα ήδη υπάρχοντα εργοστάσια. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν για την Ευρώπη, η Γερμανία και η Σουηδία. Στην Γερμανία, με ένα ποσοστό 29% της συνολικά παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας να προέρχεται από πυρηνικά εργοστάσια, 22 GW εγκατεστημένης ισχύος, το 2000 αποφασίσθηκε το σταδιακό κλείσιμο των πυρηνικών εργοστασίων μέχρι το 2020, ενώ στη Σουηδία με το 45% της ηλεκτρικής ενέργειας να προέρχεται από πυρηνικά εργοστάσια, μετά από δημοψήφισμα αποφασίστηκε επίσης το σταδιακό κλείσιμο αυτών. Παρόμοια είναι η κατάσταση και σε πολλές αναπτυσσόμενες χώρες, οι οποίες προσπαθώντας να καλύψουν την ραγδαία αύξηση στη ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας, σχεδιάζουν τη δημιουργία εργοστασίων πυρηνικής ενέργειας (πρόσφατο παράδειγμα η Τουρκία, όπου μεγάλες αντιδράσεις ματαίωσαν την κατασκευή πυρηνικού εργοστασίου). Η κατάσταση βέβαια με την πυρηνική ενέργεια περιπλέκεται ακόμη περισσότερο, καθώς οι υπέρμαχοι αυτής, προβάλλουν ως βασικό πλεονέκτημα το γεγονός ότι τα πυρηνικά εργοστάσια δεν εκπέμπουν ρύπους που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ενώ λοιπόν το ενεργειακό αυτό τοπίο επιζητά άμεσες λύσεις, η σχετικά πρόσφατη τεχνογνωσία των ανανεώσιμων πηγών, μόνο λίγες δεκαετίες εφαρμογής, δεν επιτρέπει την κάλυψη μεγάλου μέρους των ενεργειακών απαιτήσεων από αυτές. Σήμερα τα ποσοστά διείσδυσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα ενεργειακά συστήματα κυμαίνονται από 1-30% με συνεχώς αυξητικές βέβαια τάσεις. Εξαίρεση αποτελεί η Ισλανδία όπου πρόσφατα ανακηρύχθηκε το πρώτο κράτος όπου παράγει το 100% της ηλεκτρικής του ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές (κυρίως γεωθερμία και υδροηλεκτρικά). Έτσι, παράλληλα με την στροφή στις ανανεώσιμες πηγές, αναζητούνται συνεχώς λύσεις που θα κάνουν τις συμβατικές πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αποδοτικότερες και φιλικότερες προς το περιβάλλον. Βασικότερα στοιχεία αυτών των εξελίξεων, αποτελούν τα αποδοτικά

16 συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (CHP), οι γεννήτριες φυσικού αερίου, οι μικροστρόβιλοι και οι κυψέλες καυσίμου. Δεν είναι ωστόσο μόνο η παραγωγή το πρόβλημα που πρέπει να λυθεί. Εξίσου θεμελιώδες είναι και το ζήτημα της κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι αναζητούνται συνεχώς νέες τεχνολογίες που μπορούν να συμβάλλουν στην εξοικονόμηση της ενέργειας και την αύξηση της απόδοσης των ηλεκτρικών συσκευών. Από τους ηλεκτρικούς λαμπτήρες μέχρι τους ηλιακούς συλλέκτες ζεστού νερού, μια σειρά εφαρμογών και τεχνολογιών μπορούν να συμβάλλουν σημαντικά στην μείωση της ηλεκτρικής ζήτησης, γεγονός που εξάλλου είναι πολύ πιο θεμελιώδες από την ίδια την παραγωγή της ενέργειας. Γιατί με άλλα λόγια, δεν έχει και μεγάλη αξία η αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας και η κατασκευή συνεχώς περισσότερων σταθμών, για την παραγωγή ενέργειας που σπαταλιέται άσκοπα. Πίνακας 1. 1 Παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση ανά τομέα (Mtoe). Πηγή: World Energy Outlook 2000, International Energy Agency Ενώ όμως για τους κατοίκους των ανεπτυγμένων χωρών έχει μεγάλη σημασία η εξοικονόμηση της ηλεκτρικής ενέργειας, πρακτική που εκτός από επιβεβλημένη είναι και εύκολα υλοποιήσιμη, για κάποιους άλλους ανθρώπους αυτό που προέχει είναι ο εξηλεκτρισμός. Μεγάλα ποσοστά πληθυσμού σε χώρες του τρίτου κόσμου στερούνται ακόμη και σήμερα την πρόσβαση σε ηλεκτρική ενέργεια, γεγονός που συμβάλει μεταξύ άλλων και στην χαμηλή ποιότητα ζωής. Πέρα από τα οφέλη που έχει ο ηλεκτρισμός για την υγεία, την μόρφωση και την παραγωγικότητα, όσο κι αν ακούγεται παράξενο ο εξηλεκτρισμός μπορεί να συμβάλει και στο θέμα του υπερπληθυσμού. Μελέτες δείχνουν ότι η ύπαρξη ηλεκτρικού μπορεί να συμβάλει κατά ένα ποσοστό 9% στη μείωση των γεννήσεων στις χώρες του τρίτου κόσμου

17 1.2 Διανεμημένη Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας (Distributed Generation) Η πλειοψηφία των ηλεκτρικών δικτύων ανά τον κόσμο δομήθηκε όλες τις προηγούμενες δεκαετίες από την γέννησή τους ακόμη, πάνω στην διαπίστωση ότι το κόστος της παραγόμενης ενέργειας μειώνεται με την αύξηση του μεγέθους των σταθμών παραγωγής ενέργειας. Η διαπίστωση αυτή ήταν καθοριστικός παράγοντας για την δομή των ηλεκτρικών δικτύων, καθώς βασικότερα κριτήρια για την ηλεκτροπαραγωγή ήταν το κόστος και η απόδοση. Έτσι οι νέοι θερμικοί σταθμοί, είτε αυτοί χρησιμοποιούσαν λιγνίτη ή πετρέλαιο, είτε πυρηνικά καύσιμα, κατασκευάζονταν με όλο και μεγαλύτερη ισχύ ώστε να μειωθεί το κόστος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το κριτήριο αυτό άφηνε σε δεύτερη μοίρα άλλους παράγοντες που σχετίζονταν με το μέγεθος και την τοποθεσία των ηλεκτρικών σταθμών παραγωγής όπως το περιβαλλοντικό κόστος και την εκμετάλλευση της παραγόμενης θερμότητας. Η πρακτική αυτή είχε ως αποτέλεσμα την γιγαντοποίηση των θερμικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, παράλληλα με την κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων δικτύων μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας με γραμμές υψηλής και πολύ υψηλής τάσης (μέχρι και 700KV). Μέχρι και σήμερα λοιπόν, ένα τυπικό ηλεκτρικό δίκτυο, βασίζεται στην συγκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από λίγους και μεγάλης ισχύος σταθμούς-, την μεταφορά της σε αστικά κέντρα με γραμμές υψηλής τάσης και στη συνέχεια τη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας με γραμμές μέσης και χαμηλής τάσης. Το μοντέλο αυτό άρχισε να αμφισβητείται σταδιακά από τη δεκαετία του 1980, καθώς νέα δεδομένα έπρεπε να ληφθούν υπ όψη

18 Σχήμα 1. 1 Τυπικό παράδειγμα ηλεκτρικού δικτύου με μονόδρομη ροή ισχύος. Μέχρι τώρα βασικότερος παράγοντας καθορισμού της περιοχής εγκατάστασης ενός μεγάλου εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ήταν αφενός η εύκολη μεταφορά της πρώτης ύλης που θα χρησιμοποιεί και κατά δεύτερο η εύκολη απόρριψη της παραγόμενης θερμότητας. Η πρακτική αυτή θεωρείται όχι μόνο σπάταλη, αλλά και επιζήμια για το περιβάλλον. Αυτό διότι έτσι κι αλλιώς η απόδοση των θερμικών εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι μικρή (το πολύ 30% έως 35% σε μονάδες συνδυασμένου κύκλου), καθώς το μεγαλύτερο μέρος της πρωτογενούς ενέργειας (1/2 έως και 3/4 αυτής) χάνεται υπό μορφή θερμότητας (ζεστό νερό ή υδρατμός). Οι μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, έχουν το πλεονέκτημα να διοχετεύουν την εκλυόμενη θερμότητα για βιομηχανική χρήση ή οικιακή θέρμανση, αξιοποιώντας έτσι πλήρως την καύσιμη ύλη. Η πρακτική αυτή θεωρείται πολύ φιλικότερη για το περιβάλλον, αφενός γιατί η παραγόμενη θερμότητα δεν πηγαίνει χαμένη, αλλά χρησιμοποιείται για θέρμανση θέρμανση η οποία υπό άλλες συνθήκες θα απαιτούσε κατανάλωση καυσίμων για να παραχθεί και αφετέρου διότι αποφεύγεται η έκλυση θερμού νερού σε ποτάμια ή θάλασσες επηρεάζοντας έτσι αρνητικά τα οικοσυστήματα. Αντίθετα όμως με τον ηλεκτρισμό, η θερμότητα δεν μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις, πράγμα που καθιστά την συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας δυνατή μόνο κοντά στο σημείο παραγωγής

19 Μια λύση στο ζήτημα αυτό έρχεται να δώσει η διανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Distributed Generation). Αντίθετα από την συγκεντρωμένη παραγωγή από λίγους και γιγάντιους θερμικούς σταθμούς, ικανούς να τροφοδοτήσουν με ζεστό νερό μόνο την περιοχή που βρίσκονται, η διανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μονάδες συμπαραγωγής θα ήταν ικανή να τροφοδοτήσει τόσο με ηλεκτρισμό όσο και με ζεστό νερό για θέρμανση πολύ μεγαλύτερο ποσοστό πληθυσμού καθώς και βιομηχανικές μονάδες. Παράλληλα με την παροχή ζεστού νερού εκεί όπου απαιτείται, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στο σημείο κατανάλωσης μειώνει σημαντικά τις απώλειες που συνεπάγεται η μεταφορά της σε μεγάλες αποστάσεις. Συνακόλουθη είναι και η αποσυμφόρηση των ηλεκτρικών γραμμών μεταφοράς και διανομής, των μετασχηματιστών καθώς και η επιβράδυνση μεγάλων επενδύσεων στα ηλεκτρικά δίκτυα (προσθήκη νέου εξοπλισμού για κάλυψη νέων φορτίων) αφού η ζήτηση καλύπτεται εν μέρει από την τοπικά παραγόμενη ενέργεια. Το οικονομικό κόστος από την αποσυμφόρηση αυτή μπορεί να είναι πολύ σημαντικό, καθώς μειώνονται σημαντικά οι αστοχίες των διατάξεων διανομής λόγω υπερφόρτισης, άρα και η συντήρηση του δικτύου. Αξίζει να σκεφτεί κανείς το αυξημένο ποσοστό βλαβών στις διατάξεις των δικτύων διανομής μέσης και χαμηλής τάσης σε περιόδους μεγάλης ζήτησης, π.χ. το καλοκαίρι στα αστικά κέντρα. 1.3 Μικροδίκτυα Μια Πρόταση για το Μέλλον Προσπαθώντας να καλύψουν τα ζητήματα που έχουν να κάνουν με την αποδοτική λειτουργία γεννητριών συμβατικών καυσίμων, την χρησιμοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, την μείωση των απωλειών μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με την αύξηση της αξιοπιστίας, τα μικροδίκτυα αποτελούν ένα μοντέλο έρευνας που μπορεί να συμβάλλει καθοριστικά στην εξέλιξη των ενεργειακών συστημάτων. Ένα τυπικό μικροδίκτυο αποτελείται από διάφορες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, συνολικής ισχύος μέχρι λίγα MW. Ο σχεδιασμός του μικροδικτύου είναι ανεξάρτητος από το κεντρικό δίκτυο, ωστόσο μπορεί να υπάρχει

20 διασύνδεση με αυτό, για ανταλλαγή ενέργειας. Τυπικές πηγές ενέργειας ενός μικροδικτύου είναι οι γεννήτριες ντίζελ ή φυσικού αερίου, συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού (γεννήτριες, μικροστρόβιλοι), οι ανεμογεννήτριες, τα φωτοβολταϊκά, οι κυψέλες καυσίμου, οι γεωθερμικοί και οι ηλιοθερμικοί σταθμοί, τα μικρά υδροηλεκτρικά, οι μονάδες που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη βιομάζα, βιοντίζελ ή οποιαδήποτε άλλη πηγή ενέργειας. Ένα μικροδίκτυο μπορεί να εγκατασταθεί εκεί όπου υπάρχει διαθέσιμη μια από τις παραπάνω φυσικές πηγές ενέργειας και να καλύπτει τις καταναλώσεις της περιοχής που εγκαθίσταται. Η κλίμακα του μικροδικτύου ποικίλει, από μια οικία που χρησιμοποιεί ένα υβριδικό σύστημα φωτοβολταϊκών και γεννήτριας ντίζελ ή βιοκαυσίμων, ένα νοσοκομείο που χρησιμοποιεί κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού, μέχρι και μια πόλη που τροφοδοτείται από σταθμούς βιομάζας, γεννήτριες ντίζελ και αιολικά πάρκα. Μια συνδυασμένη χρήση των νέων τεχνολογιών συμπαραγωγής και ανανεώσιμων πηγών, θα μπορούσε ίσως να κάνει την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας στο μικροδίκτυο ανταγωνιστική αυτής των κεντρικών δικτύων. Η αξιόπιστη λειτουργία ενός μικροδικτύου, συνεπάγεται εκτός από την κάλυψη των απαιτήσεων ενεργού και άεργου ισχύος, και τη συνεχή ρύθμιση της τάσης και της συχνότητας αυτού. Παράλληλα θα πρέπει να περιλαμβάνει όλες τις διατάξεις προστασίας από σφάλματα, βραχυκυκλώματα ή διαρροές. Σχήμα 1. 2 Τυπικό παράδειγμα μικροδικτύου, με κυψέλες καυσίμου, γεννήτρια συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας, κινητήρα επαγωγής και σφόνδυλο υψηλής αδράνειας για την αποθήκευση της ενέργειας, όλα ελεγχόμενα και με ηλεκτρονικούς αντιστροφείς ισχύος. Το μικροδίκτυο συνδέεται με το κεντρικό δίκτυο μέσω μετασχηματιστή

21 Ένα μικροδίκτυο μπορεί να έχει δυνατότητα διασύνδεσης με το κεντρικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Σε μια τέτοια παραλληλισμένη λειτουργία είναι δυνατή η ανταλλαγή ενέργειας. Παροχή πλεονάζουσας ενέργειας σ αυτό, ή απορρόφηση ενέργειας όταν οι μονάδες του μικροδικτύου δεν επαρκούν να καλύψουν τη ζήτηση. Ακόμη σε περίπτωση μόνιμα διασυνδεδεμένης λειτουργίας είναι δυνατή η αξιόπιστη τροφοδότηση του μικροδικτύου από τις δικές του μονάδες σε περίπτωση κατάρρευσης του κεντρικού δικτύου. Δεδομένης της μικρής ισχύος των περισσότερων μονάδων ενός μικροδικτύου, η παραγωγή και διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας είναι προτιμότερο να γίνεται στην χαμηλή τάση καθώς δεν απαιτείται η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Το μέγεθος δηλαδή των μονάδων παραγωγής είναι ουσιαστικά αυτό που καθορίζει την στάθμη λειτουργίας. Το μέγεθός του συνολικότερα, μονάδων παραγωγής και φορτίων, καθορίζει εξάλλου και τον τρόπο διασύνδεσής του με άλλα μικροδίκτυα ή με το κεντρικό δίκτυο, στην μέση ή στην χαμηλή τάση. Προφανώς μεγάλη ισχύς απαιτεί διασύνδεση στη μέση τάση. Πρέπει να τονιστεί ότι σε περιπτώσεις παραλληλισμένης λειτουργίας με το κεντρικό δίκτυο, αυτό που πρωτίστως επιδιώκεται είναι να μην προκαλεί το μικροδίκτυο προβλήματα. Η ποιότητα της τάσης πρέπει να ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές του δικτύου, η απορροφούμενη ενέργεια να μην ξεπερνά τις απαιτήσεις ενός τυπικού καταναλωτή. Σε ένα δεύτερο στάδιο, ένα μικροδίκτυο μπορεί να συμπεριφερθεί σαν ένας «καλός γείτονας» του κεντρικού δικτύου. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβαίνει αν το μικροδίκτυο ρυθμιζόταν ώστε να μπορεί να υποστηρίξει το κεντρικό δίκτυο, π.χ. να παρέχει ή να απορροφά ενεργό ή άεργο ισχύ όταν απαιτείται, ακόμη και σε μικρά χρονικά διαστήματα. Στην δεύτερη αυτή περίπτωση απαιτείται προφανώς και μια μορφή επικοινωνίας μεταξύ των κέντρων ελέγχου μικροδικτύου και κεντρικού δικτύου. Και πάλι νέες τεχνολογίες υπόσχονται πολλά στην διαχείριση των μεταβατικών φαινομένων. Για την κάλυψη υψηλών αιχμών ζήτησης (π.χ. εκκίνηση μεγάλων κινητήρων, ψυγείων) και την αποθήκευση περισσευούμενης ενέργειας, ένα μικροδίκτυο, ιδιαίτερα όταν βρίσκεται σε απομονωμένη λειτουργία, μπορεί να

22 χρησιμοποιεί ενέργεια που αποθηκεύεται σε υπερ-πυκνωτές, υπεραγώγιμα πηνία, μηχανές υψηλής στρεφόμενης αδράνειας (flywheels), συσσωρευτές, ή με τη μορφή δυναμικής ενέργειας μέσω συμπιεστών αέρα ή αντλησιοταμιευτικών συστημάτων. Η τελευταία δε τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί σε περιοχές όπου αιολικά ή ηλιακά πάρκα βρίσκονται κοντά σε θάλασσα ή λίμνη, οπότε και αποθηκεύουν την περισσευούμενη ενέργεια που παράγουν, αντλώντας νερό σε ταμιευτήρες υψηλότερης στάθμης. Στη συνέχεια όταν χρειάζεται ενέργεια οι αντλητικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες, παρέχοντας ισχύ στο μικροδίκτυο. Πρέπει να τονιστεί ότι ένας πολύπλοκος έλεγχος ενός τέτοιου συστήματος με την παρούσα διαθέσιμη τεχνολογία απαιτεί την χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, για τη διασύνδεση των περισσότερων πηγών ενέργειας του μικροδικτύου με τους ζυγούς. Είτε η παραγόμενη ισχύς είναι διαρκώς μεταβαλλόμενη όπως στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών και ανεμογεννητριών, είτε ελεγχόμενη όπως των υδροηλεκτρικών σταθμών και των ντιζελογεννητριών, η διοχέτευση αυτής μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων κάνει εφικτό τον έλεγχο των πιο σημαντικών μεγεθών αυτής, δηλαδή της τάσης και της συχνότητας, μέσω της ροής ενεργού και άεργου ισχύος. Το βασικότερο στοιχείο ενός μικροδικτύου είναι συνήθως ένας ηλεκτρονικός αντιστροφέας ισχύος, ο οποίος ελέγχει και το ισοζύγιο ισχύος στο μικροδίκτυο. Αυτό μπορεί να γίνεται είτε με την οδήγηση μιας ελεγχόμενης γεννήτριας, είτε με την διαχείριση συσσωρευτών ή μικροστροβίλων, είτε με τον έλεγχο των ηλεκτρονικών ισχύος των άλλων μικρομονάδων παραγωγής ενέργειας

23 Κεφάλαιο 2 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ 2.1 Εισαγωγή Οι κυψέλες καυσίμου προορίζονται να γίνουν η πηγή ενέργειας του μέλλοντος. Το ενδιαφέρον στις κυψέλες έχει αυξηθεί κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας εξαιτίας του γεγονότος ότι τα ορυκτά καύσιμα έχουν επιφέρει πολλές αρνητικές συνέπειες. Μερικές από αυτές περιλαμβάνουν σοβαρή μόλυνση, εκτενή εξόρυξη των παγκόσμιων αποθεμάτων, και πολιτικό έλεγχο και κυριαρχία των χωρών που έχουν πολλά αποθέματα. Μια νέα πηγή ενέργειας χρειάζεται η οποία θα είναι ενεργειακά αποδοτική, θα έχει χαμηλές εκπομπές ρύπων κ θα έχει απεριόριστη παροχή καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου είναι τώρα πιο κοντά στην εμπορευματοποίηση από ποτέ, και έχουν την ικανότητα να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές ανάγκες παγκοσμίως ενώ παράλληλα θα είναι αποδοτικές και θα πληρούν τις περιβαλλοντικές προσδοκίες. Οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) είναι ο πιο δημοφιλής τύπος κυψέλης καύσιμου και χρησιμοποιεί ως καύσιμο το υδρογόνο. Οι PEM-κυψέλες έχουν και άλλες επιλογές για καύσιμο οι οποίες κυμαίνονται από υδρογόνο ως αιθανόλη και μέχρι και υλικά που προέρχονται από βιομάζα. Αυτά τα καύσιμα μπορούν να τροφοδοτηθούν είτε απευθείας στην κυψέλη, είτε να περάσουν πρώτα από έναν μετατροπέα (reformer) ο οποίος θα εξάγει καθαρό υδρογόνο, το οποίο ύστερα θα τροφοδοτηθεί στην κυψέλη καυσίμου. Υπολογίζεται ότι έχουν μείνει 30 χρόνια ακόμα μέχρι να τελειώσουν τα ορυκτά καύσιμα. Το να αλλάξουμε την υποδομή για τα καύσιμα θα είναι δαπανηρό αλλά πρέπει από τώρα να αρχίσουν να γίνονται βήματα ώστε να βεβαιωθούμε ότι η νέα υποδομή θα είναι έτοιμη όταν θα χρειαστεί. Εφόσον είναι αδύνατο να μετατρέψουμε την οικονομία σε μια νύχτα, η αλλαγή πρέπει να αρχίσει αργά και να προωθείται από τις κυβερνήσεις, καθώς και από τις μεγάλες επιχειρήσεις. Αντί να χρησιμοποιούμε απευθείας ορυκτά καύσιμα, αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν

24 ως ένα «μεταβατικό» καύσιμο για την παραγωγή υδρογόνο το οποίο θα τροφοδοτεί τις κυψέλες καυσίμου. Όταν η μετάβαση στην νέα οικονομία θα έχει αρχίσει, τότε το υδρογόνο μπορεί να προέλθει από πιο «καθαρές» πηγές όπως η βιομάζα, η πυρηνική ενέργεια και το νερό. 2.2 Τι Είναι η Κυψέλη Καυσίμου; Μια κυψέλη καυσίμου αποτελείται από ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο (άνοδος), ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και μια μεμβράνη ηλεκτρολύτη. Το υδρογόνο οξειδώνεται στην άνοδο και το οξυγόνο ανάγεται στην κάθοδο. Τα πρωτόνια περνούν από την άνοδο στην κάθοδο μέσα από την ηλεκτρολυτική μεμβράνη, και τα ηλεκτρόνια οδηγούνται στην κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος. Στη φύση τα μόρια δεν μπορούν να μείνουν σε ιονισμένη κατάσταση, έτσι αμέσως επανασυνδέονται με άλλα μόρια ώστε να επιστρέψουν σε ουδέτερη κατάσταση. Στις κυψέλες καυσίμου τα πρωτόνια του υδρογόνου παραμένουν σε ιονισμένη κατάσταση καθώς ταξιδεύουν από μόριο σε μόριο μέσω της χρήσης ειδικών υλικών. Τα πρωτόνια ταξιδεύουν μέσα από την μεμβράνη πολυμερούς η οποία είναι φτιαγμένη από ομάδες θειικού οξέος με βάση από Teflon. Τα ηλεκτρόνια ελκύονται από αγώγιμα υλικά και ταξιδεύουν προς το φορτίο όταν χρειάζεται. Στην κάθοδο, το οξυγόνο αντιδρά με τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας νερό και παράγοντας θερμότητα. Η άνοδος και η κάθοδος περιέχουν έναν καταλύτη για να επιταχύνει τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις όπως φαίνεται στο Σχήμα Σε μια τυπική PEM κυψέλη καυσίμου συμβαίνουν οι εξής αντιδράσεις: Άνννννννννν: HH 2 (gg) 2HH + (aaaa) + 2ee ΚΚάθθθθθθθθθθ: 1 2 OO 2(gg) + 2HH + (aaaa) + 2ee HH 2 OO(ll) ΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣή: HH 2 (gg) OO 2(gg) HH 2 OO(ll) + ηηηηηηηηηηηη. εεεεέρρρρρρρρρρ + ααααώλλ. θθθθθθθθόττττττττττ

25 Σχήμα 2. 1 PEM Fuel Cell Τα αντιδρώντα μεταφέρονται μέσω διάχυσης στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου με τον καταλύτη, όπου η ηλεκτροχημικές αντιδράσεις θα λάβουν χώρα. Το νερό και οι απώλειες θερμότητας που παράγονται από την κυψέλη, πρέπει να απομακρύνονται συνεχώς και μπορεί να αποτελέσουν σημαντικά θέματα για τις PEM κυψέλες καυσίμου. Μια PEM στοίβα από κυψέλες καυσίμου αποτελείται από μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων, τα στρώματα του καταλύτη και διάχυσης των αερίων, τις πλάκες ροής, τις τσιμούχες καθώς και τις τερματικές πλάκες όπως φαίνεται στον Πίνακας

26 Στοιχείο Περιγραφή Συνήθης τύπος Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων Στρώμα καταλύτη Στρώματα διάχυσης αερίων Πλάκες ροής Τσιμούχες Τερματικές πλάκες Επιτρέπει στα πρωτόνια του υδρογόνου να ταξιδεύουν από την άνοδο στην κάθοδο Διαχωρίζει το καύσιμο σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια συνδυάζονται με το οξειδωτικό μέσο και σχηματίζουν νερό στην κάθοδο. Τα ηλεκτρόνια οδεύουν προς την κάθοδο. Επιτρέπουν στο καύσιμο/ οξειδωτικό μέσο να ταξιδεύει μέσα από το πορώδες στρώμα, ενώ συλλέγει ηλεκτρόνια Διανέμει το καύσιμο και το οξειδωτικό μέσο στο στρώμα διάχυσης αερίων Εμποδίζουν τη διαρροή καυσίμου και βοηθούν στην ομοιόμορφη κατανομή της πίεσης Συγκρατούν όλα τα επίπεδα της στοίβας μαζί Πίνακας 2. 1 PEM components Μεμβράνη θειικού οξέος (Nafion) Πλατίνα/άνθρακας (καταλύτες) Ανθρακόνημα Γραφίτης, ανοξείδωτο ατσάλι Πυρίτιο, Teflon Ανοξείδωτο ατσάλι, γραφίτης, πολυαιθυλένιο, PVC Τα βασικά μέρη της κυψέλης είναι η PEM, το στρώμα διάχυσης αερίων και το στρώμα του καταλύτη. Αυτά τα στρώματα γίνονται «σάντουιτς» με διάφορες μεθόδους και αποκαλούνται MEA (membrane electrode assembly). Μια στοίβα από κυψέλες έχει MEA ανάμεσα σε δύο διπολικές πλάκες ροής και μόνο ένα σετ τερματικών πλακών

27 2.2.1 Πλεονεκτήματα κυψελών καυσίμου Έχουν τη δυνατότητα για υψηλή απόδοση λειτουργίας. Υπάρχουν πολλοί τύποι πηγών καυσίμου, και μέθοδοι για παροχή καυσίμου σε μια κυψέλη. Έχουν πολύ προσαρμόσιμο σχεδιασμό. Δεν παράγουν ρύπους. Έχουν λίγη συντήρηση καθώς δεν έχουν κινούμενα μέρη. Δεν χρειάζονται επαναφόρτιση, και παρέχουν ενέργεια απευθείας όταν τροφοδοτούνται με καύσιμο Περιορισμοί που είναι κοινοί σε όλα τα συστήματα κυψελών καυσίμου Οι κυψέλες είναι ακριβές επειδή χρειάζονται υλικά με συγκεκριμένες ιδιότητες. Υπάρχει ένα θέμα με την εύρεση φθηνών αναλώσιμων. Αυτό συμπεριλαμβάνει την ανάγκη για πλατίνα και Nafion. Η διαδικασία μετασχηματισμού του καυσίμου μπορεί να είναι δαπανηρή κ δύσκολη και χρειάζεται ενέργεια για να γίνει. Εάν χρησιμοποιηθεί ένα άλλο καύσιμο αντί του υδρογόνου, η λειτουργία μειώνεται σταδιακά με το χρόνο εξαιτίας της υποβάθμισης του καταλύτη και του δηλητηριασμού του ηλεκτρολύτη. Η παραγωγή, η μεταφορά, η διανομή και η αποθήκευση του υδρογόνου παρουσιάζουν πολλές δυσκολίες αφού το αέριο υδρογόνο έχει πολύ μεγάλο όγκο και αποθηκεύεται δύσκολα. Ακόμα και το υγρό υδρογόνο έχει μεγάλο όγκο. Οπότε τα συστήματα υποστήριξης των κυψελών καυσίμου είναι ογκώδη, βαριά και για τη δημιουργία τους απαιτούνται τεράστια κεφάλαια

28 2.3 Γιατί Χρειαζόμαστε τις Κυψέλες Καυσίμου; Η ενέργεια, βάση παράδοσης, βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα, τα οποία έχουν αρκετούς περιορισμούς: 1. Παράγουν μεγάλες ποσότητες ρύπων. 2. Υπάρχουν περιορισμένα αποθέματα. 3. Προκαλούν παγκόσμιες διαμάχες ανάμεσα στις περιοχές. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να τροφοδοτήσουν σχεδόν τα πάντα, από ένα σπίτι μέχρι ένα αυτοκίνητο ή ένα κινητό τηλέφωνο. Είναι σε πλεονεκτική θέση για εφαρμογές που είναι ενεργειακά περιορισμένες. Για παράδειγμα, η ενέργεια για φορητές συσκευές είναι περιορισμένη και έτσι είναι απαραίτητη η συνεχής φόρτιση ώστε η συσκευή να συνεχίσει να λειτουργεί. Στον Πίνακας 2. 2 συγκρίνεται το βάρος η ενέργεια και ο όγκος μπαταριών με μία κυψέλη καυσίμου. Όπως φαίνεται στον Πίνακας 2. 1, το σύστημα της κυψέλης καυσίμου παρέχει ενέργεια εξίσου με τις μπαταρίες αλλά με ένα σύστημα μικρότερο σε βάρος και όγκο. Αυτό είναι ιδιαίτερα πλεονεκτικό για φορητά συστήματα. Οι μελλοντικές αγορές για τις κυψέλες καυσίμου περιλαμβάνουν τη φορητότητα, τις μεταφορές και τις κτιριακές εγκαταστάσεις (stationary). Κάθε αγορά χρειάζεται τις κυψέλες καυσίμου για ποικίλους λόγους, όπως περιγράφεται παρακάτω. Βάρος Ενέργεια Όγκος Κυψέλη καυσίμου 9.5 lb 2190 Whr 4.0 L Κυψέλη ψευδαργύρου Άλλου είδους μπαταρίες 18.5 lb 2620 Whr 9.0 L 24 lb 2200 Whr 9.5 L Πίνακας 2. 2 Σύγκριση Fuel Cell με άλλου τύπου πηγών ενέργειας

29 2.3.1 Τομέας φορητότητας Αποτελεί ένα από τους κύριους τομείς για το μέλλον των κυψελών καυσίμου στην αγορά. Υπάρχουν πάρα πολλές φορητές συσκευές που θα χρησιμοποιούσαν κυψέλες καυσίμου ώστε η λειτουργία τους να διαρκέσει περισσότερο χρόνο. Κάποιες από αυτές τις συσκευές περιλαμβάνουν laptops, κινητά τηλέφωνα, βιντεοκάμερες και άλλα. Οι κυψέλες θα τροφοδοτούν τη συσκευή για όσο υπάρχει καύσιμο να τροφοδοτείται σε αυτή. Η τάση προς τα ηλεκτρονικά είναι το κοινό στοιχείο των συσκευών πλέον, και ο περιοριστικός παράγοντας είναι το ποσό της ισχύος που απαιτείται. Επομένως, συσκευές ισχύος που μπορούν να παρέχουν μεγαλύτερη ισχύ για περισσότερο χρονικό διάστημα, θα επιτρέψουν την ανάπτυξη νέων πολυ-λειτουργικών συσκευών. Ο στρατός επίσης χρειάζεται συσκευές υψηλής ενέργειας με μεγάλο χρόνο λειτουργίας για τον εξοπλισμό των στρατιωτών. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν ώστε να παρέχουν υψηλή ισχύ με μικρό βάρος για στρατιωτικές εφαρμογές. Άλλα πλεονεκτήματα για τον στρατό είναι η αθόρυβη λειτουργία καθώς και η χαμηλή θερμότητα που εκπέμπουν Κυψέλες καυσίμου στον τομέα των μεταφορών Ο τομέας των μεταφορών θα ωφεληθεί από τις κυψέλες καυσίμου επειδή τα ορυκτά καύσιμα θα συνεχίσουν να λιγοστεύουν, και εξαιτίας αυτού, θα υπάρξει αναπόφευκτη αύξηση των τιμών. Η νομοθεσία γίνεται αυστηρότερη για τον έλεγχο των εκπομπών ρύπων. Υπάρχουν χώρες οι οποίες περνούν νόμους για παραπέρα μείωση των εκπομπών και για να πουλήσουν ετησίως ένα συγκεκριμένο αριθμό οχημάτων με μηδενικές εκπομπές. Τα οχήματα με κυψέλες καυσίμου θα ανοίξουν ένα νέο βεληνεκές στην χρήση της ισχύος σε μικρότερα οχήματα ενώ έχουν και την ικανότητα να αξιοποιούν πιο αποδοτικά το καύσιμο (υδρογόνο) σε σχέση με οχήματα που τροφοδοτούνται από άλλα καύσιμα

30 2.3.3 Χρήση κυψελών καυσίμου σε κτιριακές εγκαταστάσεις Μεγάλες στάσιμες κυψέλες καυσίμου μπορούν να παράγουν αρκετό ηλεκτρισμό για να τροφοδοτήσουν ένα σπίτι ή μια επιχείρηση. Οι ίδιες κυψέλες μπορούν να παράγουν αρκετή ισχύ ώστε να την πουλούν και στο ισχυρό δίκτυο. Αυτός ο τύπος κυψελών είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για επιχειρήσεις κ οικισμούς όπου δεν υπάρχει διαθέσιμος ηλεκτρισμός. Γεννήτριες από κυψέλες καυσίμου είναι πιο αξιόπιστες από άλλου είδους γεννήτριες. Αυτό είναι πλεονέκτημα για τις εταιρίες οι οποίες εξοικονομούν χρήματα όταν η ισχύς πέφτει για κάποιο χρονικό διάστημα. 2.4 Τύποι Κυψελών Καυσίμου Οι διαφορετικοί τύποι κυψελών καυσίμου διαχωρίζονται με βάση τον ηλεκτρολύτη τους. Οι διαφορετικοί τύποι έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας, διαφορετικά υλικά και ελαφρώς διαφορετική αλληλεπίδραση, αλλά η ίδια αντίδραση αποτελεί τη βάση όλων αυτών. Εξαιτίας των διαφορών στις χαρακτηριστικές λειτουργίας, κάθε τύπος προορίζεται για διαφορετικές εφαρμογές Κυψέλες μεμβράνης πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEMFC) Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) ή Proton Exchange Membrane (PEM). Αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου έχει κερδίσει την προσοχή τα τελευταία χρόνια. Χρησιμοποιεί ένα στερεό πολυμερές ως ηλεκτρολύτη. Η μεμβράνη είναι φτιαγμένη από κάτι σαν Teflon, το οποίο είναι ένας άριστος αγωγός πρωτονίων και ταυτόχρονα απομονωτής ηλεκτρονίων. Ακολουθούν οι αντιδράσεις ανόδου, καθόδου κ η συνολική αντίστοιχα. HH 2 2HH + + 2ee 1 2 OO 2 + 2HH + + 2ee HH 2 OO H O 2 H 2 O

31 Σχήμα 2. 2 PEMFC Ένα από τα πλεονεκτήματα των PEM είναι η υψηλή πυκνότητα ισχύος. Αυτή η πυκνότητα είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από τα άλλα είδη κυψελών με εξαίρεση τις αλκαλικές κυψέλες. Αυτό απορρέει από την εντατικότητα στην έρευνα κ την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας την τελευταία δεκαετία. Η χρήση στερεού ηλεκτρολύτη προσθέτει ακόμα περισσότερα πλεονεκτήματα. Χαμηλότερη διάβρωση συμβαίνει επειδή η PEM κυψέλες χρησιμοποιούν έναν στερεό μη διαβρωτικό ηλεκτρολύτη. Ο στερεός ηλεκτρολύτης δεν απαιτεί την ίδια μεταχείριση που απαιτούν οι υγροί ηλεκτρολύτες. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι λειτουργούν σε χαμηλή θερμοκρασία (μεταξύ 70 ο C και 90 ο C). Εξαιτίας αυτού έχουν γρήγορη εκκίνηση, το οποίο είναι ιδιαίτερα πλεονεκτικό για εφαρμογές όπως οχήματα όπου η γρήγορη εκκίνηση είναι ανεκτίμητη. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής. Τα τελευταία χρόνια έχει αποδειχθεί εργαστηριακά ότι η σχεδίαση των PEMFC δύναται να κρατήσει την κυψέλη σε λειτουργία για μεγάλο χρονικό διάστημα και συνεπώς να επιμηκύνει τη διάρκεια ζωής της. Αυτό έχει κάνει τις PEMFC ιδιαίτερα ελκυστικές σε πολλά διαφορετικά πεδία εφαρμογών. Η χρήση πλατίνας ως καταλύτη αποτελεί ένα σημαντικό μειονέκτημα εξαιτίας του κόστους της. Αν και την τελευταία δεκαετία έχει μειωθεί δραματικά η ανάγκη για χρήση της πλατίνας ως καταλύτη, απαιτείται ακόμα περισσότερη

32 μείωση ώστε να γίνουν οι κυψέλες ανταγωνιστικές με τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι η ευαισθησία στο μονοξείδιο του άνθρακα. Για να το αντιμετωπίσουμε αυτό καταλήγουμε σε μια πιο πολύπλοκη σχεδίαση. Οι κυψέλες PEM χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές. Εξαιτίας της γρήγορης εκκίνησης και της υψηλής πυκνότητας ισχύος, εφαρμογές σε οχήματα βρίσκονται σε άνθηση. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί ώστε να χρησιμοποιηθούν σε φορητές συσκευές καθώς επίσης κ σε οικιακές χρήσεις Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (Alkaline Fuel Cell) Χρησιμοποιούν ένα υγρό διάλυμα από υδροξείδιο του καλίου ως ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι μέσα σε ένα καλούπι, απ όπου το υδρογόνο μπορεί να περάσει αλλά τα ηλεκτρόνια όχι. Ακολουθούν οι αντιδράσεις ανόδου, καθόδου κ η συνολική αντίστοιχα. HH 2 + 2(OOOO) 2HH 2 OO + 2ee 1 2 OO 2 + HH 2 OO + 2ee 2(OOOO) H O 2 H 2 O

33 Σχήμα 2. 3 AFC Η αντίδραση που μας περιορίζει είναι αυτή στην κάθοδο, επειδή παίρνει περισσότερο χρόνο για να γίνει από την αντίστοιχη στην άνοδο. Σε μια AFC, η αντίδραση στην κάθοδο συμβαίνει πιο γρήγορα απ ότι σε άλλα είδη κυψελών, κάτι το οποίο βελτιώνει τη συνολική λειτουργία της AFC. Όπως κ στις PEMFC, έτσι και εδώ η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας, μεταξύ 70 ο C και 90 ο C, δίνει το πλεονέκτημα της γρήγορης εκκίνησης. Η απόδοση είναι στο 50%. Ένα από τα κύρια μειονεκτήματα των AFC είναι η μη ανοχή στο διοξείδιο του άνθρακα. Εξαιτίας αυτού δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον εξωτερικό αέρα για την παροχή του οξυγόνου που χρειάζονται. Χρησιμοποιούν ένα σύστημα που να αφαιρεί το διοξείδιο του άνθρακα από τον εισαγόμενο αέρα. Η χρήση διαβρωτικού ηλεκτρολύτη αποτελεί ένα ακόμα μειονέκτημα. Αυτό μειώνει τη διάρκεια ζωής και παράλληλα αυξάνει το κόστος λειτουργίας. Άλλος ένας παράγοντας που συνεισφέρει στην αύξηση του κόστους είναι η χρήση πλατίνας ως καταλύτη. Ερευνάται η χρήση άλλων φθηνών καταλυτών όπως άνθρακας και ηλεκτρόδια από οξείδια μετάλλου. Η χρήση των AFC σε εφαρμογές της NASA και του στρατού έχει βοηθήσει στην αύξηση της απόδοσης και στη μείωση του κόστους

34 2.4.3 Κυψέλες Φωσφορικού Οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell) Χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη το φωσφορικό οξύ. Το οξύ περιέχεται σε μια μήτρα από Teflon που το κρατάει κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι διπλάσια από τις PEMFC. Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας είναι επειδή το νερό, που παράγεται σαν παρα-προϊόν, σε χαμηλή θερμοκρασία θα διαλυθεί μέσα στον ηλεκτρολύτη. Η θερμοκρασία πρέπει να είναι υψηλή ώστε αν απομακρύνει το νερό εξατμίζοντάς το. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι μεταξύ 175 ο C -200 ο C. Δεν μπορεί να είναι υψηλότερη γιατί στους 210 ο C το φωσφορικό οξύ θα αρχίσει να αποσυντίθεται. Η απόδοση είναι στο 40%. Η πυκνότητα ισχύος είναι από 0,2 έως 0,35 W/cm 2. Ακολουθούν οι αντιδράσεις ανόδου, καθόδου κ η συνολική αντίστοιχα. HH 2 2HH + + 2ee 1 2 OO 2 + 2HH + + 2ee HH 2 OO H O 2 H 2 O Σχήμα 2. 4 PAFC Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των PAFC είναι η ανθεκτικότητα σε ακαθαρσίες στο καύσιμο ανασχηματισμένου υδρογονάνθρακα. Αυτό το

35 χαρακτηριστικό είναι ένας από τους κύριους λόγους που το PAFC επιλέχθηκε σε πρώιμα στάδια για ουσιαστική βελτίωση. Η ικανότητά του να χρησιμοποιεί μη αμιγή καύσιμα, το κάνει πιο φθηνό επειδή μειώνει το κόστος του ανασχηματιστή (reformer). Ένα ακόμη πλεονέκτημα είναι ότι η τεχνολογία των PAFC είναι η πιο ώριμη στις κυψέλες καυσίμου για ανάπτυξη συστημάτων και εμποροποίηση. Αυτό το είδος είναι υπό ανάπτυξη για πάνω από 20 χρόνια. Εξαιτίας αυτού, το κόστος έχει μειωθεί και η απόδοση έχει αυξηθεί. Αφού σε μια PAFC η θερμοκρασία λειτουργίας είναι υψηλή, η συμπαραγωγή μπορεί να χρησιμοποιηθεί πιο αποδοτικά απ ότι στις κυψέλες χαμηλής θερμοκρασίας. Η συμπαραγωγή αυξάνει την απόδοση στο 85 %. Ένα μειονέκτημα είναι ότι χρησιμοποιεί ακριβό καταλύτη όπως πλατίνα, κάτι το οποίο αυξάνει το κόστος. Αν και η υψηλή θερμοκρασία αποτελεί πλεονέκτημα από μία σκοπιά, από την άλλη είναι και μειονέκτημα γιατί η PAFC χρειάζεται προθέρμανση για να λειτουργήσει κανονικά. Άλλα μειονεκτήματα είναι το σχετικά χαμηλό ρεύμα και η πυκνότητα ισχύος καθώς και το μέγεθος. Οι PAFC είναι μεγάλες και βαριές, κάτι το οποίο αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για τη χρήση τους σε φορητές συσκευές και σε οχήματα. Οι PAFC χρησιμοποιούνται σε οχήματα εξαιτίας της αντοχής σε μη καθαρά καύσιμα. Επίσης χρησιμοποιούνται σε δίκτυα παραγωγής ενέργειας σε μεσαία και μεγάλη κλίμακα Κυψέλες στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cells) Ηλεκτρολύτης είναι μια στερεή μη-πορώδης κεραμική ουσία η οποία χρησιμοποιεί οξείδιο του ζιρκονίου στο οποίο έχει προστεθεί αέριο. Αυτό το υλικό είναι ένας άριστος αγωγός από αρνητικά φορτισμένα ιόντα σε υψηλές θερμοκρασίες. Κάτι πολύ σημαντικό είναι ότι μια SOFC μπορεί να χρησιμοποιήσει διοξείδιο του άνθρακα εξίσου καλά με το υδρογόνο ως κύριο καύσιμο. Ακολουθούν οι αντιδράσεις ανόδου, καθόδου κ η συνολική αντίστοιχα

36 HH 2 + OO 2 HH 2 OO + 2ee 1 2 OO 2 + 2ee OO 2 H O 2 H 2 O Σχήμα 2. 5 SOFC Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας που είναι κοντά στους 600 ο C με 1000 ο C δημιουργεί πλεονεκτήματα έναντι των κυψελών χαμηλής θερμοκρασίας. Αυτή η υψηλή θερμοκρασία αυξάνει την απόδοση που μπορεί να επιτύχει η κυψέλη. Επίσης δίνει στην κυψέλη την ικανότητα για χρήση μιας πληθώρας φθηνών καταλυτών. Αυτό συμβαίνει επειδή η κατάρρευση των δεσμών συμβαίνει με μεγαλύτερη ταχύτητα όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι η αυξημένη θερμοκρασία οδηγεί την κυψέλη σε χρήση περισσότερων ειδών καυσίμου. Με αυτές τις κυψέλες, ο ανασχηματισμός μπορεί να γίνει μέσα στην κυψέλη παρά να ενσωματωθεί ένα σύστημα ανασχηματισμού το οποίο απλά θα αυξάνει το κόστος. Η υψηλή θερμοκρασία μπορεί να συνεισφέρει στην συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Έτσι αυξάνεται η απόδοση. Αφού οι SOFC χρησιμοποιούν στερεό ηλεκτρολύτη, η διάβρωση καθώς και η διαχείριση που απαιτείται για υγρό ηλεκτρολύτη, σχεδόν εξαλείφονται. Αυτό βοηθάει στο σύστημα να γίνει πιο απλό και παράλληλα μειώνει το κόστος

37 Φυσικά η υψηλή θερμοκρασία επιφέρει και μειονεκτήματα και περιορισμούς. Αυξάνει την τριβή και επιταχύνει την κατάρρευση των στοιχείων της κυψέλης. Αυτή η κατάρρευση συνεπάγεται τη μείωση ζωής της κυψέλης. Η μόνη εφαρμογή που έχει αυτή τη στιγμή μια κυψέλη υψηλής θερμοκρασίας είναι για την παραγωγή μεσαίας και μεγάλης κλίμακας παραγωγή ενέργειας Κυψέλες τήγματος ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cells) Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται ένα μίγμα τηγμένου ανθρακικού άλατος. Η παρασκευή του μίγματος ποικίλει αλλά συνήθως αποτελείται από ανθρακικό λίθιο ή ανθρακικό κάλιο. Σε υψηλή θερμοκρασία το μίγμα άλατος είναι σε υγρή φάση και είναι ένας άριστος αγωγός ιόντων. Αυτός ο ηλεκτρολύτης περιέχεται μέσα σε μια πορώδη κεραμική μήτρα. Ακολουθούν οι αντιδράσεις ανόδου, καθόδου κ η συνολική αντίστοιχα. HH 2 + CCCC 3 2 HH 2 OO + CCCC 2 + 2ee 1 2 OO 2 + CCCC 2 + 2ee CCCC 3 2 HH OO 2 + CCCC 2 HH 2 OO + CCCC

38 Σχήμα 2. 6 MCFC Οι MCFC έχουν τα ίδια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, λόγω υψηλής θερμοκρασίας, με τα SOFC. Εδώ όμως εμφανίζεται το φαινόμενο διάβρωσης καθώς ο ηλεκτρολύτης έχει υγρή μορφή και επίσης απαιτεί ειδική διαχείριση. Η πυκνότητα ισχύος είναι στα 0.10 W/cm 2. Η απόδοση είναι πάνω από 50%. Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας είναι κοντά στους 600 ο C με 1000 ο C και η μόνη εφαρμογή είναι στα συστήματα παραγωγής ενέργειας σε μεσαία και μεγάλη κλίμακα. Έχουν φτιαχτεί συστήματα από 250kW μέχρι 2MW Κυψέλες με απευθείας μεθανόλη (Direct Methanol Fuel Cells) Οι DMFC είναι υβρίδια των PEMFC. Χρησιμοποιούν την ίδια μεμβράνη πολυμερούς με τις PEMFC αλλά για καύσιμο, αντί για ανασχηματισμένο υδρογόνο, χρησιμοποιούν υγρή μεθανόλη. Ο καταλύτης στην άνοδο τραβάει το υδρογόνο από τη μεθανόλη από μόνος του. Η πυκνότητα ισχύος είναι στα 0.20 W/cm 2 ενώ η απόδοση δεν ξεπερνά το 50%. Αν και η τεχνολογία των DMFC είναι σχετικά νέα, έχει καλές προοπτικές. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα είναι παρόμοια με τις PEMFC αλλά εδώ δεν χρειάζεται ανασχηματισμός του καυσίμου, κάτι το οποίο μειώνει το συνολικό κόστος

39 CCCC 3 OOOO + HH 2 OO 6HH + +CCCC 2 + 6ee 3 2 OO 2 + 6HH + + 6ee 3HH 2 OO CCCC 3 OOOO OO 2 + HH 2 OO CCCC 2 + 3HH 2 OO Αναστρέψιμες κυψέλες καυσίμου (Reversible Fuel Cells) Γνωστές και ως regenerative ή unitized fuel cell. Είναι μια ξεχωριστή κατηγορία κυψελών καυσίμου που παράγουν ηλεκτρισμό από υδρογόνο και οξυγόνο αλλά μπορούν να αντιστρέψουν τη λειτουργία τους και με την τροφοδότηση ηλεκτρισμού μπορούν να παράγουν υδρογόνο και οξυγόνο όπως φαίνεται στο Σχήμα Τα τρία σημεία κλειδιά είναι η ισχύς εξόδου, ο χρόνος λειτουργίας και ο ρυθμός επαναφόρτισης. Ο αριθμός και το μέγεθος των κυψελών στη στοίβα καθορίζουν την ισχύ εξόδου η οποία εξαρτάται αρχικά από την ενεργό περιοχή της ένωσης ηλεκτρόδιο-μεμβράνη-ηλεκτρόδιο. Ο χρόνος λειτουργίας καθορίζεται από τη χωρητικότητα της δεξαμενής υδρογόνου που διαθέτουμε. Ο ρυθμός επαναφόρτισης καθορίζεται από το ρυθμό εξόδου της ηλεκτρόλυσης που παράγει υδρογόνο. Τα RFC μπορούν να μετατρέψουν το νερό απευθείας σε υδρογόνο με χρήση φωτοβολταϊκής, αιολικής ή υδροηλεκτρικής ενέργειας. Έχει παρατηρηθεί ότι είναι ικανές για πυκνότητα ισχύος στις 450 Wh/kg, το οποίο είναι 10 φορές μεγαλύτερο από τις μπαταρίες οξέος και περισσότερο από 2 φορές από τις χημικές μπαταρίες

40 Σχήμα 2. 7 PEM reversible fuel cell a)fuel cell mode b)electrolyzer mode Ένα σύστημα που έχει αναπτυχθεί από την Green Volt Power Corp. έχει επιτύχει 20% λιγότερη ενέργεια για την ηλεκτρόλυση σε σχέση με τις συσκευές ηλεκτρόλυσης νερού-αλκαλίου, ενώ απαιτεί μόνο αποσταγμένο νερό για να παράγει υδρογόνο και οξυγόνο με καθαρότητα 99,5%. Στο Σχήμα 2. 7 φαίνονται οι δύο λειτουργίες. Οι RFC αναμένεται να χρησιμοποιηθούν σε επιβατικά αυτοκίνητα σε ηλιακά αεροσκάφη, στην προώθηση δορυφόρων για τη διόρθωση της τροχιάς, σε μικροδιαστημόπλοια καθώς και σε συστήματα ισχύος Κυψέλες Ψευδαργύρου (Zinc Fuel Cell) Οι zinc-air κυψέλες, έχουν ένα ηλεκτρόδιο για διάχυση των αερίων, μια άνοδο που χωρίζεται με ηλεκτρολύτη και μηχανικούς διαχωριστές. Το ηλεκτρόδιο διάχυσης αερίων είναι μια διαπερατή μεμβράνη που επιτρέπει στο ατμοσφαιρικό οξυγόνο να περάσει από μέσα. Αφού το οξυγόνο έχει μετατραπεί σε ιόντα και νερό, τα ιόντα περνούν μέσα από τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην άνοδο ψευδαργύρου. Εκεί αντιδρούν με αυτόν σχηματίζοντας οξείδια ψευδαργύρου και

41 παράγοντας ηλεκτρικό δυναμικό. Η ηλεκτροχημική αντίδραση μοιάζει με τις PEMFC αλλά η επανατροφοδότηση είναι διαφορετική, αν και έχει μερικά από τα χαρακτηριστικά των μπαταριών Συνοπτική παρουσίαση Σχήμα

42 Σχήμα 2. 9 Ηλεκτρολύτης ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗ Μεμβράνη Ανταλλαγής Ιόντων ΤΥΠΟΙ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΦΩΣΦΟΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ Φωσφορικό Οξύ ΤΗΓΜΑΤΟΣ ΑΝΘΡΑΚΙΚΩΝ ΑΛΑΤΩΝ Μίγμα Ανθρακικών Αλκαλίων ΣΤΕΡΕΩΝ ΟΞΕΙΔΙΩΝ Θερμοκρασία Λει τ ουργί ας ( C) Ανταλλάξιμο φορτίο Η+ Η+ C03= Ο= Σταθεροποιημένο ζιρκόνιο Κατάσταση Ηλεκτρολύτη Στερεός Ακινητοποιημένο Ακινητοποιημένο Στερεός Υγρό Υγρό Δομή Κυψέλης Βασισμένη σε Βασισμένη σε Ανοξείδωτο Κεραμικό Υλικό Άνθρακα ή Μέ ταλλ ο Γραφίτη Ατσάλι Καταλύτης Πλατίνα Πλατίνα Νικέλιο Υπεροξείδια Θερμότητα από συμπαραγωγή Καθόλου Χαμηλής Ποιότητας Βαθμός Απόδοσης Κυψέλης (% (Κατ.θερμ.Δυν.) Μεγάλα ποσά Μεγάλα ποσά <

43 Κεφάλαιο 3 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ (PEMFC) 3.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με μια τεχνολογία κυψελών καυσίμου, τις κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. Θα πρέπει να εξετασθεί η δομή, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που έχει η συγκεκριμένη τεχνολογία σε σύγκριση με τις άλλες. 3.2 Σύστημα Μεμβράνης Ηλεκτροδίων Η καρδιά ενός κυττάρου καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων είναι το σύστημα μεμβράνης ηλεκτροδίων. Σχήμα 3. 1 Σύστημα μεμβράνης ηλεκτροδίων

44 3.2.1 Μεμβράνη Ο ρόλος της μεμβράνης είναι: Να παρέχει ένα αγώγιμο μονοπάτι για τα ιόντα. Λόγω του όξινου χαρακτήρα της είναι ηλεκτρικός μονωτής και δεν επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρονίων, οπότε τα ηλεκτρόνια περνάνε μέσω του εξωτερικού κυκλώματος. Να διαχωρίζει τα δύο ηλεκτρόδια άρα και τα δύο αντιδρώντα αέρια επιτρέποντας την πραγματοποίηση δύο αντιδράσεων. Η πιο γνωστή μεμβράνη είναι αυτή που κατασκευάζεται από το υλικό Nafion. Η δομή της μεμβράνης αποτελείται από τρία μέρη: Το πρώτο μέρος, το οποίο είναι ο κορμός της μεμβράνης, αποτελείται από μια αλυσίδα εκατοντάδων επαναλαμβανόμενων μονάδων τετραφθοράνθρακα (πολυτετραφθοράνθρακας). Αυτή η μονάδα δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένα τροποποιημένο πολυμερές. Αυτό το τροποποιημένο πολυμερές προέρχεται από το βασικό πολυμερές πολυαιθυλένιο, με αντικατάσταση του υδρογόνου από το φθόριο. Χαρακτηριστικά αυτού του υλικού είναι τα εξής: a) είναι ανθεκτικό σε χημικές «επιθέσεις», λόγω του ισχυρού δεσμού μεταξύ άνθρακα και φθορίου. b) είναι υδροφοβικό και έτσι οδηγεί το παραγόμενο νερό έξω από τα ηλεκτρόδια ώστε να εμποδίσει το «πλημμύρισμά» τους. Σχήμα 3. 2 Πολυαιθυλένιο

45 Σχήμα 3. 3 Τροποποιημένο πολυμερές - κορμός της μεμβράνης Το δεύτερο μέρος είναι οι πλευρικές αλυσίδες που συνδέουν τον κορμό της μεμβράνης με το τρίτο μέρος το οποίο είναι ομάδες οξέων. Αποτελείται από οξυγόνο φθόριο και άνθρακα. Στο τέλος της πλευρικής αλυσίδας προστίθενται ιόντα SO - 3 τα οποία είναι το τρίτο μέρος. Υπάρχει μια αμοιβαία έλξη μεταξύ ιόντων SO - 3 (αρνητικών ιόντων) και των ιόντων υδρογόνου Η + (θετικών ιόντων). Από αυτή την αμοιβαία έλξη δημιουργείται θειώδες οξύ (HSO 3 ) το οποίο είναι έντονα υδρόφιλο, δηλαδή μπορεί να απορροφήσει μεγάλες ποσότητες νερού. Μέσα στη μεμβράνη υπάρχουν μόρια HSO 3 άρα πράγματι έχει όξινα χαρακτηριστικά. Σε αυτές τις περιοχές που έχει απορροφηθεί νερό, τα ιόντα υδρογόνου, γίνονται ευκίνητα και μπορούν να μετακινηθούν από ένα SO - 3 σε μία θέση της αλυσίδας, σε άλλο SO - 3 σε κάποια άλλη θέση της αλυσίδας. Με αυτό τον τρόπο έχουμε κίνηση πρωτονίων μέσα στην μεμβράνη. Σχήμα 3. 4 Δομή ενός μορίου της μεμβράνης

46 Από τα παρακάτω καταλαβαίνω ότι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για την καλή λειτουργία της μεμβράνης είναι η ενυδάτωση της μεμβράνης. Αν οδηγηθούμε στην μείωση της περιεκτικότητας νερού της μεμβράνης, τότε τα ιόντα υδρογόνου δεν μπορούν να κινηθούν μέσα στην μεμβράνη. Το τελευταίο συνεπάγεται μείωση της ιοντικής της αγωγιμότητας. Η περίπτωση αφυδάτωσης συνεπάγεται μείωση του χρόνου ζωής της, ή και άμεση καταστροφή της. Καταλήγουμε ότι τα χαρακτηριστικά του Nafion και γενικά όλων των φθοροθειικών ιονομερών είναι τα εξής: Έχουν υψηλές χημικές αντοχές. Είναι στιβαρά (μηχανικώς) και έτσι μπορούμε να φτιάξουμε πάρα πολύ λεπτά φιλμ κάτω από 50 μm. Είναι όξινα. Μπορούν να απορροφήσουν μεγάλες ποσότητες νερού Εάν είναι καλά ενυδατωμένα, τα θετικά ιόντα υδρογόνου μπορούν να κινηθούν αρκετά ελεύθερα μέσα στο υλικό είναι καλοί αγωγοί πρωτονίων Ηλεκτρόδια Στα ηλεκτρόδια γίνονται οι δύο αντιδράσεις που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Είναι πορώδη και περιέχουν μόρια λευκόχρυσου, τα οποία αυξάνουν κατακόρυφα την ταχύτητα των δύο αντιδράσεων. Όσον αφορά το λευκόχρυσο, είναι ιδανικός καταλύτης για τις αντιδράσεις που συμβαίνουν σε ένα PEMFC αλλά είναι ένα ακριβό στοιχείο και δυσεύρετο. Παλαιότερα σε ένα ηλεκτρόδιο είχαμε περιεκτικότητα 28mg/cm 2 Pt. Αυτή η υψηλή περιεκτικότητα οδήγησε στην άποψη ότι ο λευκόχρυσος είναι η βασική αιτία του υψηλού κόστους της κυψέλης καυσίμου. Σήμερα η παραπάνω άποψη δεν υφίσταται αφού πλέον η περιεκτικότητα λευκόχρυσου σε ένα ηλεκτρόδιο έχει μειωθεί στα 0.2mg/cm

47 Τρόποι κατασκευής των ηλεκτροδίων: 1 ος τρόπος: Γίνεται ομοιόμορφη διασπορά των μορίων λευκόχρυσου σε ένα πορώδες και αγώγιμο υλικό όπως ύφασμα άνθρακα ή χαρτί άνθρακα. Τα μόρια λευκόχρυσου βρίσκονται στην επιφάνεια μεγαλύτερων μορίων όπως μόρια άνθρακα (Σχήμα 3. 5). Εξαιτίας αυτής της ομοιόμορφης διασποράς των μορίων λευκόχρυσου μεγαλώνει η επιφάνεια επαφής των αντιδρώντων αερίων με τον καταλύτη ακόμα και όταν η ποσότητα λευκόχρυσου που χρησιμοποιούμε είναι μικρή. Με βάση το παραπάνω αυξάνεται η ταχύτητα αντίδρασης και μειώνεται το κόστος των ηλεκτροδίων. Η αύξηση της επιφάνειας αντίδρασης συνεπάγεται μείωση των απωλειών ενεργοποίησης όπως θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο. Σχήμα 3. 5 Μόρια λευκόχρυσου (Pt) στην επιφάνεια μεγαλύτερων μορίων όπως μόρια άνθρακα 2 ος τρόπος. Τα μόρια λευκόχρυσου δεν είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα αλλά σχηματίζουν στρώσεις (Σχήμα 3. 6). Αυτές οι στρώσεις αποτελούν το καταλυτικό στρώμα. Δίπλα σε αυτό το καταλυτικό στρώμα τοποθετώ ένα στρώμα το οποίο επιτρέπει τη διάχυση αερίων

48 Σχήμα 3. 6 Μεμβράνη και καταλυτικό στρώμα της κυψέλης καυσίμου. Παρατηρούμε ότι τα μόρια λευκόχρυσου (κόκκινα) βρίσκονται στην επιφάνεια μεγαλύτερων μορίων (γκρι). Αποτελείται από χαρτί άνθρακα ή ύφασμα άνθρακα, έχει ενσωματωμένο κάποιο υδροφοβικό υλικό και έχει πάχος 0.2~0.5 mmmm. Ο σκοπός αυτού του στρώματος δεν περιορίζεται μόνο στο ότι επιτρέπει τη διέλευση αντιδρώντων αερίων αλλά δημιουργεί μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ καταλύτη και διπολικών ελασμάτων (ή συλλεκτών ρεύματος). Μία ακόμα λειτουργία αυτού του στρώματος είναι ότι βοηθάει στη σωστή διαχείριση του νερού, δηλαδή μεταφέρει το νερό που παράγεται στην κάθοδο μακριά από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Τέλος, προστατεύει και τα μόρια του καταλύτη. Σχήμα 3. 7 Μεμβράνη, καταλυτικό στρώμα και στρώμα διάχυσης αέριων της κυψέλης καυσίμου

49 3.3 Τα δομικά στοιχεία μιας κυψέλης καυσίμου Τα δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται μια κυψέλη καυσίμου είναι: Σύστημα μεμβράνης ηλεκτροδίων το οποίο περιγράψαμε στην προηγούμενη παράγραφο Συλλέκτες ρεύματος Οι συλλέκτες ρεύματος είναι πλάκες από αγώγιμο υλικό που τοποθετούνται στην εξωτερική επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Γιατί χρησιμοποιώ συλλέκτες ρεύματος; Σε μία κυψέλη καυσίμου η θεωρητική τάση εξόδου είναι 1,222 V. Όμως η τάση ανοικτού κυκλώματος και η λειτουργούσα τάση είναι πολύ μικρότερες από αυτή την τιμή. Άρα δεν υπάρχει η πολυτέλεια στις ήδη απώλειες να προστεθεί η απώλεια κάποιων ηλεκτρονίων στα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου. Οπότε χρησιμοποιώ ένα συλλέκτη ρεύματος ο οποίος συλλέγει τα ηλεκτρόνια στα υπάρχοντα ηλεκτρόδια ώστε να μειώσουμε την πιθανότητα να χαθούν κάποια ηλεκτρόνια. Μία ακόμα λειτουργία του συλλέκτη ρεύματος είναι ότι επιτρέπει τη ροή αερίων που κυκλοφορούν στην κυψέλη. 3.4 Πλεονεκτήματα της Κυψέλης Καυσίμου PEMFC 1. Λειτουργούν σε χαμηλή θερμοκρασία μέχρι 80 ο C οπότε είναι δυνατή η γρήγορη εκκίνηση και η γρήγορη απόκριση στις απότομες μεταβολές φορτίου. 2. Τα PEMFC είναι ικανά να λειτουργούν σε πολύ υψηλές πυκνότητες ρεύματος. Άλλες τεχνολογίες λειτουργούν μέχρι 1 Ampere/cm 2 ενώ τα PEMFC λειτουργούν μέχρι 4 Ampere/cm 2. Αυτή η δυνατότητα οφείλεται κυρίως στη μεμβράνη που χρησιμοποιείται. 3. Η μεμβράνη είναι στερεός ηλεκτρολύτης και δεν υπάρχει κίνδυνος διαβρωτικών υγρών. 4. Αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου προορίζεται για χρήση σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών

50 3.5 Μειονεκτήματα της Κυψέλης Καυσίμου PEMFC Τα PEMFC παρουσιάζουν κάποια μειονεκτήματα σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες κυττάρων καυσίμου. 1. Ως καύσιμο χρησιμοποιείται το υδρογόνο το οποίο είναι ιδιαίτερο εύφλεκτο και χρειάζεται προσοχή στην αποθήκευση και στη μεταφορά του. 2. Ως καταλύτης χρησιμοποιείται λευκόχρυσος, ο οποίος αυξάνει το κόστος των ηλεκτροδίων. Τα τελευταία χρόνια οι επιστήμονες έχουν ασχοληθεί με το αυτό το πρόβλημα και έχουν μειώσει τη χρήση λευκόχρυσου κατά πολύ. 3. Συνήθως το σύστημα τροφοδοσίας του υδρογόνου αποτελείται από ένα επεξεργαστή καυσίμου και το σύστημα τροφοδοσίας του οξυγόνου αποτελείται από έναν συμπιεστή. Χρήση επεξεργαστή καυσίμου και συμπιεστή σημαίνει σπατάλη ενέργειας και αυξημένο κόστος. 4. Λειτουργία σε χαμηλή θερμοκρασία. Ως γνωστόν τα καύσιμα που εισάγονται στο κύτταρο καυσίμου περιέχουν CO (μονοξείδιο του άνθρακα). Το CO «επιτίθεται» στα μόρια του λευκόχρυσου. Εξ αιτίας αυτής της επίθεσης μειώνεται η δραστηριότητα των καταλυτών οπότε μειώνεται και η απόδοση του κυττάρου. Αν η θερμοκρασία λειτουργίας γίνει μεγαλύτερη από 120 ο C συνεπάγεται αφυδάτωση της μεμβράνης. Άρα η μείωση της επίθεσης του CΟ επιτυγχάνεται με ένα μηχανισμό ο οποίος αφαιρεί το CO το οποίο υπάρχει στα αέρια καύσιμα. 3.6 Συστοιχίες Κυψελών Καυσίμου Η συστοιχία κυψελών καυσίμου προκύπτει από την εν σειρά σύνδεση των κυψελών. Αυτό γίνεται συνδέοντας την άνοδο της μια κυψέλης με την κάθοδο της επόμενης και έτσι προκύπτει μια αθροιστική τάση εξόδου. Η καλύτερη μέθοδος είναι η σύνδεση με τη βοήθεια διπολικών ελασμάτων. Με τα διπολικά ελάσματα επιτυγχάνω τη σύνδεση ολόκληρης της επιφάνειας

51 ανόδου του ενός κυττάρου με την κάθοδο του επόμενου κυττάρου. Τα διπολικά ελάσματα επιτρέπουν την τροφοδοσία οξυγόνου στην άνοδο και την τροφοδοσία υδρογόνου στην κάθοδο. Στο Σχήμα 3. 8 βλέπω τη σύνδεση κυψελών καυσίμου με τη βοήθεια διπολικών ελασμάτων. Σχήμα 3. 8 Σύνδεση κυψελών καυσίμου με τη βοήθεια διπολικών ελασμάτων Τα χαρακτηριστικά των διπολικών ελασμάτων είναι: α) να παρέχουν καλή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Για να το επιτύχουν αυτό τα κατασκευάζουμε από γραφίτη ή ανοξείδωτο χάλυβα. β) να τροφοδοτούν με υδρογόνο την άνοδο του ενός και με οξυγόνο την κάθοδο του επόμενου κυττάρου καυσίμου. Όμως οι τροφοδοσίες θα πρέπει να είναι αυστηρά χωρισμένες γιατί αλλιώς υπάρχει κίνδυνος αντίδρασης των δύο αερίων. Για να επιτύχουν το δεύτερο χαρακτηριστικό από τη μία πλευρά έχουν κάθετα κανάλια από τα οποία ρέει το υδρογόνο και από την άλλη πλευρά έχουν οριζόντια κανάλια από τα οποία ρέει το οξυγόνο

52 Σχήμα 3. 9 Συστοιχία κυψελών καυσίμου με διπολικά ελάσματα. Στα οριζόντια κανάλια τροφοδοσία οξυγόνου και στα κατακόρυφα τροφοδοσία υδρογόνου Η σχεδίαση των διπολικών ελασμάτων όσο και αν φαίνεται παράξενο είναι ένας σημαντικός παράγοντας για το υψηλό κόστος των κυψελών καυσίμου. Επίσης η σχεδίαση των διπολικών ελασμάτων διαφέρει από εταιρία σε εταιρία. Στο Σχήμα φαίνονται διάφορα σχέδια καναλιών πάνω σε διπολικά ελάσματα. Το ποιο θα χρησιμοποιηθεί είναι στην ευχέρεια του σχεδιαστή της κυψέλης καυσίμου

53 Σχήμα Παραδείγματα από σχήματα καναλιών πάνω σε διπολικά ελάσματα 3.7 Συστήματα Υποστήριξης μιας Κυψέλης Καυσίμου Συστήματα υποστήριξης τα οποία πλαισιώνουν τη λειτουργία μιας κυψέλης καυσίμου είναι: σύστημα τροφοδοσίας υδρογόνου σύστημα τροφοδοσίας οξυγόνου σύστημα ψύξης μονάδα ελέγχου Παρατήρηση: Αν έχω σύστημα κυψελών καυσίμου συνδυασμένου κύκλου τότε έχω ένα επιπλέον σύστημα υποστήριξης, το σύστημα διαχείρισης θερμότητας

54 + DC DC + Αυτά τα συστήματα υποστήριξης παρουσιάζονται + στο Σχήμα _ 3. 11: + _ voltage regulator dc output for the auxiliary components starting battery + _ DC AC ac output 127/220 V reforming system water fuel exhaustion air air blower S H 2 air cooling water + V s - fuel cell stack S air cooling water H 2 purge air exhaustion S H 2 solenoid valve fan water excess water storage DI water feeding pressure regulator DI bed heat exchanger water pump Σχήμα Συστήματα υποστήριξης που πλαισιώνουν τη λειτουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος κυψελών καυσίμου συνδυασμένου κύκλου Σύστημα τροφοδοσίας υδρογόνου: τροφοδοτεί την κυψέλη με υδρογόνο. Το υδρογόνο εισέρχεται στην κυψέλη είτε από μία δεξαμενή, στην οποία βρίσκεται υπό υψηλή πίεση, είτε από ένα επεξεργαστή καυσίμου. Ο επεξεργαστής καυσίμου είναι μία συσκευή η οποία τροφοδοτείται από καύσιμο (π.χ. φυσικό αέριο) και το μετατρέπει σε υδρογόνο ή σε μείγματα υψηλής περιεκτικότητας υδρογόνου. Οι δύο βασικοί τύποι επεξεργαστών καυσίμου είναι οι επεξεργαστές ατμού και οι επεξεργαστές μερικής οξείδωσης. Το υδρογόνο εισέρχεται στην κυψέλη καυσίμου μέσω ενός συστήματος βαλβίδων και ένα κύλινδρο υψηλής πίεσης. Εδώ θα πρέπει να αναφερθεί ότι το υδρογόνο είναι ένα πολύ εύφλεκτο υλικό και η παρουσία άλλων στοιχείων το καθιστά ασταθές. Αντιδρά με τα περισσότερα μέταλλα γι αυτό θα χρησιμοποιηθούν μόνο χρυσός, άργυρος, αλουμίνιο, ανοξείδωτο ατσάλι, νικέλιο και χαλκός. Όταν αυτά τα μέταλλα τοποθετούνται στο κανάλι τροφοδοσίας καυσίμου δείχνουν δείγματα χημικής αποικοδόμησης με την πάροδο του χρόνου. Άρα το κύκλωμα τροφοδοσίας του υδρογόνου δεν πρέπει να βρίσκεται κοντά σε οποιαδήποτε πηγή σπινθήρα ελαχιστοποιώντας έτσι την πιθανότητα έκρηξης

55 Σύστημα τροφοδοσίας οξυγόνου: τροφοδοτεί την κυψέλη με οξυγόνο. Το οξυγόνο εισέρχεται στην κυψέλη από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Ο ατμοσφαιρικός αέρας εισέρχεται στην κυψέλη καυσίμου αφού περάσει μέσα από ένα συμπιεστή και ένα υγραντήρα. Ο συμπιεστής συμπιέζει τη ροή του αέρα στην υψηλή πίεση γιατί έτσι έχω σημαντική βελτίωση στο ποσοστό αντίδρασης αλλά και ωθείται έξω από την κυψέλη πιο εύκολα το νερό που παράγεται στην κάθοδο αποτρέποντας την υπερχείλιση της κυψέλης. Ο συμπιεστής οδηγείται από μια ηλεκτρική μηχανή ή από μια τουρμπίνα αν στο σύστημα τροφοδοσίας υδρογόνου υπάρχει ο επεξεργαστής καυσίμου. Ο υγραντήρας χρησιμοποιείται για να αποφύγω την αφυδάτωση της μεμβράνης της κυψέλης καυσίμου. Για το κύκλωμα τροφοδοσίας του οξυγόνου δεν απαιτούνται τόσο αυστηρές προδιαγραφές. Οι αγωγοί που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία του οξυγόνου πρέπει να είναι μεγάλων διαστάσεων γιατί έτσι διευκολύνεται η διέλευση μεγάλων ποσοτήτων αέρα, αφού η περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο είναι μικρή. Πρέπει να προσέχω τα υλικά κατασκευής των αγωγών να μην περιέχουν στοιχεία τα οποία διαβρώνονται με την παρουσία οξυγόνου. Σύστημα ψύξης: Ο τρόπος με τον οποίον απομακρύνεται αυτή η θερμότητα εξαρτάται από το μέγεθος της κυψέλης καυσίμου. 1. Ο πρώτος τρόπος ψύξης χρησιμοποιεί τον αέρα ο οποίος τροφοδοτεί την κάθοδο της κυψέλης καυσίμου. Είναι η απλούστερη μέθοδος ψύξης και χρησιμοποιείται για την ψύξη συστοιχίας κυψέλης καυσίμου που παράγει ισχύ γύρω στα 100 W. 2. Ο δεύτερος τρόπος ψύξης χρησιμοποιεί κάποιο αέριο για την ψύξη το οποίο δεν είναι συγχρόνως και καύσιμο της κυψέλης καυσίμου. Με βάση τον πρώτο τρόπο ψύξης θα αυξάνεται η θερμοκρασία του αέρα δηλαδή του ψυκτικού μέσου. Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα σημαίνει ότι όλο και περισσότερο από το νερό που παράγεται στην κάθοδο θα εξατμιστεί. Άρα υπάρχει κίνδυνος να αφυδατωθεί η μεμβράνη. Λύση στο παραπάνω πρόβλημα είναι το αέριο ψύξης όχι και αντιδρών αέριο συγχρόνως

56 Το θέμα είναι από πού περνάει αυτό το αέριο ψύξης. Υπάρχουν δύο τρόποι: i. Πάνω στα διπολικά ελάσματα στα οποία εκτός από τα κανάλια τροφοδοσίας υδρογόνου και οξυγόνου θα υπάρχουν και κανάλια μέσω των οποίων ρέει το ψυκτικό μέση. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. 12, από την πάνω πλευρά είναι τα κανάλια μέσα από τα οποία ρέει το ψυκτικό μέσο. ii. Ενδιάμεσα στη συστοιχία τοποθετώ μερικά διπολικά ελάσματα ψύξης μέσα από τα οποία ρέει το ψυκτικό μέσο. 3. Όσον αφορά τον τρίτο τρόπο ψύξης ως ψυκτικό μέσο χρησιμοποιώ νερό. Αυτός ο τρόπος ψύξης χρησιμοποιείται ή αν η συστοιχία παράγει ισχύ μεγαλύτερη από 1 kw ή αν το σύστημά μου είναι σύστημα κυψελών καυσίμου συνδυασμένου κύκλου. Μονάδα ελέγχου Χρησιμοποιώ ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου, για να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία μιας κυψέλης PEMFC. Το σύστημα ελέγχου παρακολουθεί μια σειρά παραμέτρων και προσπαθεί να τις διατηρήσει σε συγκεκριμένα πλαίσια. Αυτές οι παράμετροι είναι η θερμοκρασία λειτουργίας της κυψέλης, η πίεση με την οποία εισάγεται το υδρογόνο και το οξυγόνο στην κυψέλη και η τάση στα άκρα της κυψέλης

57 Σχήμα Τα πάνω κανάλια είναι τα κανάλια στα οποία ρέει τα ψυκτικό μέσο 3.8 PEMFC και Εφαρμογές Όπως αναφέραμε και στα πλεονεκτήματα αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου προορίζεται για χρήση σε μία μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Μπορούν να παράγουν ισχύ μερικά watt, οπότε προορίζονται για παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε φορητές συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα (Σχήμα 3. 13), φορητούς υπολογιστές (Σχήμα και Σχήμα 3. 15). Μία συστοιχία PEMFC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανακαλύψει τις ενεργειακές ανάγκες ενός σπιτιού ή μίας πολυκατοικίας. Μία ακόμα εφαρμογή των PEMFC κυττάρων καυσίμου την οποία συναντάμε όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια είναι η χρήση τους σε αυτοκίνητα ή λεωφορεία (Σχήμα 3. 16). Στο μέλλον προβλέπεται να συμβεί αντικατάσταση των συμβατικών αυτοκινήτων με αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου. Μια αρκετά καλή εφαρμογή η οποία συζητιέται αρκετά είναι η χρήση PEMFC σε συστήματα συνδυασμένου κύκλου. Στα συστήματα αυτά δεν εκμεταλλευόμαστε μόνο την ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν τα PEMFC αλλά και τη θερμότητα. Τέλος στο μέλλον προβλέπεται να έχουμε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από σταθμούς κυψελών καυσίμων

58 Σχήμα Μικροκυψέλη καυσίμου, σχεδιασμένη από την Fraunise ISE για χρήση στην κινητή τηλεφωνία Σχήμα Laptop τροφοδοτούμενο από κυψέλη καυσίμου, της Ballard

59 Σχήμα Laptop τροφοδοτούμενο από μίνι κυψέλη καυσίμου Σχήμα Αυτοκίνητο τροφοδοτούμενο από κυψέλες καυσίμου, General Motors

60 - 60 -

61 Κεφάλαιο 4 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ 4.1 Μαθηματικά Μοντέλα στη Βιβλιογραφία Η μοντελοποίηση των κυψελών καυσίμου είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τους σχεδιαστές των κυψελών επειδή μπορούν να οδηγήσουν σε βελτιώσεις στο σχεδιασμό της κυψέλης, καθώς επίσης και σε φθηνότερες, καλύτερες και πιο αποδοτικές κυψέλες. Το μοντέλο πρέπει να είναι ισχυρό, ακριβές και να ικανό να παρέχει γρήγορα λύσεις σε προβλήματα που αφορούν την κυψέλη. Ένα καλό μοντέλο θα πρέπει να προβλέπει τη λειτουργία της κυψέλης σε μια ευρεία κλίμακα συνθηκών λειτουργίας. Ακόμα και ένα μέτριο μοντέλο θα έχει μεγάλη ικανότητα πρόβλεψης. Μερικές σημαντικοί παράμετροι που πρέπει να συμπεριληφθούν σε ένα μοντέλο είναι η θερμοκρασία της κυψέλης, του καυσίμου και του οξειδωτικού μέσου, η πίεση του καυσίμου και του οξειδωτικού μέσου, το δυναμικό της κυψέλης καθώς και την αναλογία βάρους κάθε αντιδρώντος. Μερικές από τις παραμέτρους που πρέπει να επιλυθούν σε ένα μαθηματικό μοντέλο φαίνονται στο Σχήμα

62 Σχήμα 4. 1 Παράμετροι προς επίλυση για το μαθηματικό μοντέλο Οι απαραίτητες βελτιώσεις για τη λειτουργία των κυψελών καυσίμου απαιτούν καλύτερο σχεδιασμό, υλικά και βελτιστοποίηση. Αυτά τα θέματα μπορούν να δρομολογηθούν μόνο εάν υπάρξουν ρεαλιστικά μαθηματικά μοντέλα των διεργασιών που συντελούνται στην κυψέλη. Υπάρχουν πάρα πολλά μοντέλα στη βιβλιογραφία για PEM κυψέλες καυσίμου, αλλά αυτό είναι ιδιαίτερα αποθαρρυντικό για κάποιον ο οποίος μόλις μπαίνει στο χώρο των κυψελών καυσίμου καθώς είναι δύσκολο να καταλάβει την πολυπλοκότητα αυτών των μοντέλων. Ο Πίνακας 4. 1 δείχνει μια σύνοψη των εξισώσεων ή χαρακτηριστικών από μοντέλα κυψελών καυσίμου που έχουν παρουσιαστεί σε πρόσφατες δημοσιεύσεις

63 Αριθμός Dyn/SS Κινητικότητα Φάση στην Μεταφορά Μεταφορά Διόγκωση Ενεργειακή διαστάσεων ανόδου και άνοδο και μάζας-mass μάζας-mass μεμβράνης ισορροπία καθόδου την κάθοδο transport transport (άνοδος και (ηλεκτρολύτη) κάθοδος) Μία Δυναμική ή Tafel-type Αέρια, υγρή, Effective Nernst-Planck + Εμπειρικά ή Ισόθερμη ή διάσταση, μόνιμη εκφράσεις, συνδυασμός Fick s Schlogl, Nernst- θερμοδυναμικά πλήρης δύο κατάσταση Butler-Volmer υγρής και diffusion, Planck + drag μοντέλα ενεργειακή διαστάσεις, σύνθετες αέριας Nernst- coefficient, ισορροπία τρεις εξισώσεις Planck, Maxwell-Stefan, διαστάσεις κινητικής Nernst- Effective Fick s Planck + diffusion Schlogl, Maxwell- Stefan Πίνακας 4. 1 Πρόσφατα μαθηματικά μοντέλα Η πρώτη στήλη στον Πίνακας 4. 1 δείχνει τον αριθμό των διαστάσεων που έχουν τα μοντέλα στη βιβλιογραφία. Τα περισσότερα μοντέλα στις αρχές της δεκαετίας του 90 ήταν μονοδιάστατα, ενώ προς τα τέλη και στις αρχές του 2000 έγιναν δισδιάστατα, και πρόσφατα έχουν σχεδιαστεί τρισδιάστατα μοντέλα για συγκεκριμένες κυψέλες καυσίμου. Η δεύτερη στήλη μπορεί να είναι για τη δυναμική ή για τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Τα περισσότερα μοντέλα που έχουν δημοσιευτεί έχουν χαρακτηριστικές τάσης κ προφίλ συγκεντρώσεων. Η επόμενη στήλη παρουσιάζει τους τύπους των εκφράσεων κινητικότητας που χρησιμοποιούνται για τα ηλεκτρόδια. Πιο συχνά χρησιμοποιούνται απλές εκφράσεις του Tafel. Πιο συγκεκριμένα papers χρησιμοποιούν εκφράσεις του Volmer, και κάποια άλλα μοντέλα χρησιμοποιούν πιο ρεαλιστικές, πολύπλοκες και πολλών σταδίων αντιδράσεις κινητικότητας για τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Η επόμενη στήλη συγκρίνει τις φάσεις στην άνοδο και την κάθοδο. Είναι ιδιαίτερα γνωστό ότι υπάρχουν δύο φάσεις (υγρή και αέρια) που συνυπάρχουν κάτω από ποικίλες συνθήκες λειτουργίας. Μέσα στη δομή της καθόδου μπορεί να συμπυκνώνεται νερό και έτσι να μπλοκάρεται το φρέσκο οξυγόνο που πρέπει να φτάσει στο στρώμα του καταλύτη

64 Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η περιγραφή της μεταφοράς μαζών στην άνοδο, στην κάθοδο και στον ηλεκτρολύτη. Χρησιμοποιούνται αρκετά μοντέλα. Μοντέλα διάχυσης του Fick και παραγωγικής (effective) διάχυσης του Fick τυπικά χρησιμοποιούν εμπειρικά καθοριζόμενους συντελεστές μεταφοράς αντί για τις διαχυτικότητες του Fick, και δεν εξηγούν τη συνεισφορά της επαγόμενης ροής. Άλλα μοντέλα χρησιμοποιούν τις εκφράσεις μεταφοράς μαζών των Nernst-Planck που συνδυάζουν τη διάχυση του Fick με την επαγόμενη ροή. Η επαγόμενη ροή υπολογίζεται τυπικά από το νόμο του Darcy με χρήση διαφόρων διατυπώσεων με συντελεστές υδραυλικής διαπερατότητας. Μερικά μοντέλα χρησιμοποιούν διατυπώσεις του Schlogl για την επαγόμενη ροή αντί για το νόμο του Darcy, οι οποίες εξηγούν την ηλεκτρο-ωσμωτική ροή και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά μαζών μέσα σε μια PEM κυψέλη καυσίμου. Μια απλή μέθοδος για να συμπεριλάβουμε την ηλεκτρο-ωσμωτική ροή στη μεμβράνη είναι να εφαρμόσουμε ένα μοντέλο με συντελεστές αντίστασης (drag coefficient model), το οποίο υποθέτει μια αναλογία ροής νερού και καυσίμου με τη ροή πρωτονίων. Μια άλλη περιγραφή είναι με τις διατυπώσεις των Maxwell-Stefan περί μιγμάτων πολλών συνιστωσών. Αυτό έχει χρησιμοποιηθεί για μοντέλα σε αέρια φάση αλλά θα ήταν καλύτερα να χρησιμοποιηθεί για υγρή-αέρια φάση. Πολύ λίγα μοντέλα χρησιμοποιούν αυτήν την εξίσωση και για τις δύο φάσεις. Μοντέλα επιφανειακής διάχυσης ή μοντέλα που προέρχονται από μη αναστρέψιμη θερμοδυναμική σπάνια χρησιμοποιούνται. Η προτελευταία στήλη δείχνει ότι η διόγκωση των μεμβρανών πολυμερούς μοντελοποιείται με εμπειρικά ή θερμοδυναμικά μοντέλα για τις PEM κυψέλες. Τα περισσότερα μοντέλα υποθέτουν μια πλήρως υγραμένη PEM. Σε κάποιες περιπτώσεις, η πρόσληψη νερού περιγράφεται με εμπειρική συσχέτιση, και σε άλλες περιπτώσεις χρησιμοποιείται ένα θερμοδυναμικό μοντέλο που βασίζεται στην αλλαγή της «ελεύθερης ενέργειας του Gibbs» που βασίζεται στο περιεχόμενο νερού. Η τελευταία στήλη δείχνει αν τα μοντέλα περιλαμβάνουν ενεργειακή ισορροπία. Τα περισσότερα μοντέλα υποθέτουν ισόθερμη λειτουργία και έτσι δε λαμβάνουν υπόψη τους την ενεργειακή ισορροπία. Όμως, το να συμπεριλάβουμε εξισώσεις ενεργειακή ισορροπίας είναι μια σημαντική παράμετρος στα μοντέλα

65 κυψελών καυσίμου επειδή η θερμοκρασία επηρεάζει τις αντιδράσεις του καταλύτη καθώς επίσης και τη διαχείριση του νερού που πρέπει να κάνουμε στην κυψέλη.. Ένα μοντέλο είναι τόσο ακριβές όσο μας επιτρέπουν οι υποθέσεις που κάνουμε. Οι υποθέσεις πρέπει να πρέπει να γίνουν καλά κατανοητές ώστε να καταλαβαίνουμε τους περιορισμούς του μοντέλου και να ερμηνεύουμε με ακρίβεια τα αποτελέσματα. Συνήθεις υποθέσεις που γίνονται είναι: Ιδιότητες ιδανικών αερίων Ασυμπίεστη ροή Στρωματική ροή (laminar flow) Ισοτροπική και ομογενής δομή σε ηλεκτρολύτη, ηλεκτρόδια και διπολικά ελάσματα Μια αμελητέα ωμική πτώση τάσης στα στοιχεία Η μεταφορά μαζών και ενέργειας μοντελοποιούνται μακροσκοπικά με χρήση εξισώσεων διατήρησης του μέσου όγκου. Οι έννοιες που παρουσιάζονται σε αυτήν την ενότητα μπορούν να εφαρμοστούν σε όλα τα είδη κυψελών καυσίμου ανεξάρτητα από τη γεωμετρία τους. Ακόμα και απλά μοντέλα μπορούν να μας προσφέρουν τεράστια επίγνωση στο να καθορίσουμε γιατί μια κυψέλη καυσίμου λειτουργεί καλά ή όχι. 4.2 Δημιουργία Μαθηματικών Μοντέλων Τα βασικά βήματα για τη δημιουργία μαθηματικών μοντέλων είναι τα ίδια ανεξάρτητα με το σύστημα που πρόκειται να μοντελοποιηθεί. Οι λεπτομέρειες ποικίλουν κατά κάποιο τρόπο από μέθοδο σε μέθοδο, αλλά η κατανόηση των συνήθων βημάτων σε συνδυασμό με την απαιτούμενη μέθοδο, παρέχει ένα πλαίσιο στο οποίο σχεδόν κάθε μέθοδος μπορεί να ερμηνευτεί και να γίνει κατανοητή. Τα βασικά βήματα σχεδίασης του μοντέλου είναι: 1. Επιλογή μοντέλου 2. Προσαρμογή μοντέλου 3. Επικύρωση μοντέλου

66 Αυτά τα τρία βασικά βήματα χρησιμοποιούνται επαναληπτικά μέχρι ένα κατάλληλο μοντέλο να αναπτυχθεί για τα δεδομένα μας. Στην επιλογή του μοντέλου, διαγράμματα δεδομένων, γνώση της διεργασίας και υποθέσεις σχετικά με τη διεργασία χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν τη μορφή του μοντέλου ώστε να ταιριάζει με τα δεδομένα μας. Ύστερα, χρησιμοποιώντας το επιλεγμένο μοντέλο και τα δεδομένα, εφαρμόζεται μια κατάλληλη μέθοδος προσαρμογής του μοντέλου ώστε να υπολογίσουμε τις άγνωστες παραμέτρους του μοντέλου. Όταν γίνουν οι υπολογισμοί των παραμέτρων, το μοντέλο εκτιμάται προσεκτικά ώστε να δούμε αν οι υποθέσεις της ανάλυσης φαίνονται λογικές. Εάν οι υποθέσεις φαίνονται έγκυρες, τότε το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να απαντήσει σε διάφορες επιστημονικά ή μηχανικά ερωτήματα που κινητοποίησαν την κατασκευή του μοντέλου. Εάν η επικύρωση του μοντέλου ανιχνεύσει προβλήματα στο παρόν μοντέλο, τότε η διαδικασία μοντελοποίησης επαναλαμβάνεται χρησιμοποιώντας στοιχεία από το βήμα επικύρωσης ώστε να επιλεγεί ή να φτιαχτεί ένα πιο βελτιωμένο μοντέλο. 4.3 Μια Παραλλαγή των Βασικών Βημάτων Τα τρία βασικά βήματα της διαδικασίας μοντελοποίησης προϋποθέτουν ότι τα δεδομένα έχουν ήδη συλλεχθεί και ότι τα ίδια δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσαρμοστούν όλα τα υποψήφια μοντέλα. Αν και αυτή είναι η συνήθης περίπτωση για τις περιπτώσεις κατασκευής μοντέλων, μια παραλλαγή στη βασική ακολουθία σχεδιασμού εμφανίζεται όταν χρειάζονται επιπλέον δεδομένα για να προσαρμόσουν ένα νέο υποθετικό μοντέλο που βασίζεται στο μοντέλο με τα αρχικά δεδομένα. Σε αυτήν την περίπτωση, δύο επιπλέον βήματα πειραματική σχεδίαση και συλλογή δεδομένων μπορεί να προστεθεί στη βασική ακολουθία ανάμεσα στην επιλογή του μοντέλου και την προσαρμογή του μοντέλου. Το Σχήμα 4. 2 δείχνει τη βασική ακολουθία προσαρμογής του μοντέλου με την ενσωμάτωση των βημάτων συλλογής των σχετιζόμενων δεδομένων στη διαδικασία μοντελοποίησης

67 Μια καλή ιδέα είναι η επιλογή του μοντέλου και η προσαρμογή του πριν τη συλλογή των αρχικών δεδομένων. Χωρίς δεδομένα στα χέρια, αυτό που χρειάζεται είναι μια υπόθεση για το πώς θα μοιάζουν τα δεδομένα ώστε να μαντέψουμε πώς θα έπρεπε να είναι το αρχικό μοντέλο. Υποθέτοντας το αποτέλεσμα ενός πειράματος δεν είναι πάντα εφικτό, αλλά οι προσπάθειες που γίνονται στα προηγούμενα στάδια του project συχνά μεγιστοποιούν την απόδοση της συνολικής διαδικασίας μοντελοποίησης και καταλήγουν στα καλύτερα δυνατά μοντέλα για τις διεργασίες. Σχήμα 4. 2 Ακολουθία βημάτων μοντελοποίησης

68 4.4 Ενέργεια και ΗΕΔ μιας Κυψέλης Καυσίμου Υδρογόνου Στο Σχήμα 4. 3 βλέπουμε τις εισόδους και τις εξόδους σε μια κυψέλη καυσίμου. Η ηλεκτρική ενέργεια και ισχύς μπορεί να υπολογιστεί από τις σχέσεις PPPPPPPPPP = VVVV EEEEEEEEEEEE = VVVVVV Σχήμα 4. 3 Είσοδοι και έξοδοι μια κυψέλης καυσίμου Με απλά λόγια θα μπορούσαμε να πούμε πως πρόκειται για την «χημική ενέργεια» του υδρογόνου, του οξυγόνου και του νερού που παίρνουν μέρος στην αντίδραση. Στην πραγματικότητα δεν πρόκειται για κάτι απλό. Όροι όπως ενθαλπία, συνάρτηση Helmholtz και ελεύθερη ενέργεια του Gibbs θα χρησιμοποιηθούν. Τον βασικό ρόλο στις κυψέλες καυσίμου τον παίζει η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs όπου πρόκειται για την ενέργεια που είναι διαθέσιμη για να παράγει εξωτερικό έργο, αγνοώντας οποιοδήποτε έργο που προέρχεται από μεταβολές στην πίεση και/ή στον όγκο. Ο όρος exergy αναφέρεται σε αυτό το εξωτερικό έργο, το οποίο είναι η κίνηση των ηλεκτρονίων στο εξωτερικό κύκλωμα, καθώς και αυτό από τις μεταβολές πίεσης και όγκου. GG = HH TT SS όπου G=Gibbs free energy, H=enthalpy, T=Temperature, S= Entropy Όλες αυτές οι μορφές «χημικής ενέργειας» είναι περισσότερο σαν μηχανική «δυναμική ενέργεια» κατά δύο έννοιες. Η πρώτη έννοια είναι ότι το σημείο μηδενικής ενέργειας μπορεί να οριστεί οπουδήποτε. Στις χημικές αντιδράσεις ορίζουμε συνήθως σημείο μηδενικής ενέργειας για καθαρά στοιχεία σε κανονική κατάσταση και υπό ιδανικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (STP 25 ο C και 0.1 MPa ή 1 atm). Χρησιμοποιούνται οι όροι

69 «ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού του Gibbs G f»και «ενθαλπία σχηματισμού. Για μια κυψέλη υδρογόνου σε STP η ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού του Gibbs στην είσοδο είναι μηδέν. Το δεύτερο είναι η μεταβολή της ενέργειας. Σε μια κυψέλη το ΔG f δίνει την ενέργεια που απελευθερώνεται. Ορίζεται από τη σχέση ΔΔGG ff = GG ff ππππππϊόνννννννν GG ff ααααααααααααώνννννννν Για πιο εύκολες συγκρίσεις θεωρούμε τις ποσότητες ανά mole και είναι στη μορφή (gg ff) HH2 OO. Θεωρώντας την αντίδραση HH OO 2 HH 2 OO έχουμε ότι ΔΔgg ff = (gg ff) HH2 OO (gg ff) HH2 1 2 (gg ff) OO2 Αν και η εξίσωση φαίνεται απλή, η ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού του Gibbs δεν είναι σταθερή. Μεταβάλλεται με τις αλλαγές θερμοκρασίας και φάσης (υγρή ή αέρια) όπως φαίνεται στον Πίνακας Πίνακας 4. 2 ΔΔgg ff for the reaction HH OO HH 22 OO at various temperatures Εάν δεν υπάρχουν απώλειες στην κυψέλη, δηλαδή η διεργασία είναι αντιστρεπτή, τότε όλη αυτή η ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Παρατηρώντας τη συνολική αντίδραση σε μια κυψέλη υδρογόνου, 2 ηλεκτρόνια περνούν από το εξωτερικό κύκλωμα για κάθε μόριο νερού που παράγεται και κάθε μόριο υδρογόνου που χρησιμοποιείται. Έτσι για 1 mol υδρογόνου, περνούν 2N ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα. (Ν = αριθμός του Avogadro). Εάν το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι e, τότε το φορτίο που ρέει είναι

70 2NNNN = 2FF cccccccccccccccc όπου FF = NN ee και είναι η σταθερά του Faraday Εάν E είναι η τάση της κυψέλης, τότε το έργο που παράγεται μετακινώντας αυτό το φορτίο στο κύκλωμα είναι EEEEEEEEEEEEEEEEEEEE wwwwwwww dddddddd = cchaaaaaaaa vvvvvvvvvvvvvv = 2FFFF jjjjjjjjjjjj Έτσι αν το σύστημα είναι χωρίς απώλειες τότε το έργο αυτό ισούται με την ελεύθερη ενέργεια του Gibbs Δg f. Οπότε ΔΔgg ff = 2FF EE ή EE = ΔΔgg ff 2FF Αυτή η εξίσωση δίνει την Ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) ή αλλιώς τάση ανοιχτού κυκλώματος χωρίς εσωτερικές απώλειες για μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου. 4.5 Απόδοση και Όρια Απόδοσης Η απόδοση ορίζεται ως ηηηηηηηηηηηηηηηηή εεεεέρρρρρρρρρρ ππππππ ππππππάγγγγγγγγγγ αααααα mmmmmm κκκκκκκκίμμμμμμ ΔΔh ff όπου ΔΔh ff είναι η ενθαλπία σχηματισμού και είναι αρνητική επειδή ελευθερώνεται ενέργεια. Ανάλογα με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το παραγόμενο νερό έχουμε: HH OO 2 HH 2 OO (ααααααόςς) ΔΔh ff = kkkkmmmmmm 1 (hiiiiheeee heeeeeeeeeeee vvvvvvvvvv HHHHHH) HH OO 2 HH 2 OO (υυυυυυό) ΔΔh ff = kkkkmmmmmm 1 (llllllllll heeeeeeeeeeee vvvvvvvvvv LLLLLL) Η μέγιστη δυνατή απόδοση είναι όταν η ηλεκτρική ενέργεια είναι ίση με τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας του Gibbs. Τότε ΜΜέγγγγγγγγγγ δδδδδδδδδδή ααααόδδδδδδδδ = ΔΔgg ff ΔΔh ff 100%

71 Πίνακας 4. 3 ΔΔgg ff, μέγιστη ΗΕΔ και όριο απόδοσης (για HHV) για κυψέλη υδρογόνου Πρέπει να σημειωθούν τρία πράγματα: 1) Αν και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες φαίνεται ότι η απόδοση είναι μεγαλύτερη, όπως θα δούμε αργότερα, οι απώλειες είναι μικρότερες σε υψηλότερες θερμοκρασίες και έτσι η τάση είναι υψηλότερη. 2) Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, οι απώλειες θερμότητας είναι περισσότερο χρήσιμες από τις χαμηλές θερμοκρασίες. 3) Οι κυψέλες καυσίμου δεν έχουν πάντα υψηλότερη οριακή απόδοση από τις μηχανές καύσης. 4.6 Απόδοση και Τάση Κυψέλης Εάν όλη η ενέργεια του υδρογόνου δηλαδή η θερμιδική του αξία, η θερμική του αξία ή η ενθαλπία σχηματισμού μετατραπεί πλήρως σε ηλεκτρική ενέργεια, τότε η ΗΕΔ δίνεται από: από: EE = ΔΔh ff 2FF = 1.48VV γγγγαα HHHHHH ή = 1.25VV γγγγγγ LLLLLL Αυτές είναι οι τάσεις για 100% απόδοση. Η πραγματική απόδοση δίνεται ααααόδδδδδδδδ κκκκκκέλλλλλλ = VV cc 100% (γγγγγγ HHHHHH)

72 Επίσης επειδή ένα μέρος του καυσίμου περνά χωρίς να αντιδράσει, θα ορίσουμε και ένα «συντελεστή χρησιμοποίησης» ως: μμ ff = Τελικά η απόδοση δίνεται από: μμάζζζζ κκκκκκκκίμμμμμμ ππππππ ααααααααααααά σσσσσσσσ κκκκκκέλλλλ μμάζζζζ κκκκκκκκίμμμμμμ ππππππ ττττττττττττττττττίττττττ ααααόδδδδδδδδ ηη = μμ ff VV cc 100% (γγγγγγ HHHHHH) 1.48 όπου το μ f είναι περίπου Εάν θεωρήσουμε την περίπτωση LHV τότε θα πρέπει να βάλουμε 1.25 αντί για Επίδραση της Πίεσης και Εξίσωση Nernst Θεωρώντας ιδανικά αέρια τα αντιδρώντα και τα προϊόντα μας, ορίζουμε την έννοια «δραστηριότητα α» η οποία δίνεται από: αα = ΡΡ PP 0 όπου P = μερική πίεση του αερίου και P 0 =1 atm. Για την έχουμε ότι HH OO 2 HH 2 OO 1 2 ΔΔgg ff = ΔΔgg ff0 RRRRRRRR αα HH 2 αα ΟΟ2 αα HH2 OO και εάν τη διαιρέσουμε με το -2F προκύπτει η τάση: όπου Ε 0 EE = ΔΔgg ff 0 2FF RRRR 2FF llll αα HH 2 αα ΟΟ2 αα HH2 OO 1 2 EE = EE 0 + RRRR 2FF llll αα HH 2 αα ΟΟ2 αα HH2 OO είναι η ΗΕΔ όπως δίνεται από τον Πίνακας 4. 3 για ιδανικές συνθήκες. Η σχέση αυτή ονομάζεται εξίσωση Nernst

73 Εάν υποθέσουμε ότι ο ατμός συμπεριφέρεται σαν ιδανικό αέριο τότε και έτσι η τελευταία εξίσωση γίνεται: αα ΗΗ2 = αα ΗΗ2, αα PP 0 ΗΗ 2 = αα 02, αα PP 0 ΗΗ 2 = αα ΗΗ2OO PP EE = EE 0 + RRRR 2FF llll PP HH 2 PP ΟΟ2 PP HH2 OO υπό την προϋπόθεση ότι οι πιέσεις είναι δοσμένες σε bar και ότι P 0 =1. Αν θεωρήσουμε ότι η μερική πίεση του νερού είναι και αυτή 1 bar, τότε προκύπτει η σχέση: EE = EE 0 + RRRR 2FF llll PP HH llll PP OO2 Τέλος λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβολές της εντροπίας με την μεταβολή της θερμοκρασίας προκύπτει ότι: EE = EE 0 + ΔΔSS 2FF TT TT rrrrrr + RRRR 2FF llll PP HH llll PP OO2 όπου F = σταθερά του Faraday (96487 C) ΔS = μεταβολή της εντροπίας (J/mol) R = παγκόσμια σταθερά των αερίων (8314 J/k mol P * = είναι οι μερικές πιέσεις T = απόλυτη θερμοκρασία λειτουργίας T ref = απόλυτη θερμοκρασία αναφοράς περιβάλλοντος 4.8 Τάση Κυψέλης Καυσίμου σε Πραγματική Λειτουργία Η εξίσωση Nernst έδωσε την θεωρητική τάση εξόδου μια κυψέλης καυσίμου η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία και από τις μερικές πιέσεις των εισόδων. Στην πραγματικότητα η τάση εξόδου είναι αρκετά διαφορετική. Από το Σχήμα 4. 4 βλέπουμε τα εξής: Η τάση ανοιχτού κυκλώματος είναι μικρότερη από τη θεωρητική τιμή της. Υπάρχει μια απότομη πτώση τάσης στην αρχή. Στη συνέχεια πέφτει πιο αργά και πιο γραμμικά. Υπάρχει κάποιες φορές μια υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος όπου η τάση πέφτει πιο γρήγορα

74 Σχήμα 4. 4 Τάση κυψέλης σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία 70 ο C Το γεγονός ότι η τάση διαφέρει από την θεωρητική τιμής της οφείλεται σε κάποιες «απώλειες». Αυτές οι απώλειες είναι οι ακόλουθες: Απώλειες ενεργοποίησης (activation losses). Οφείλονται στις αργές αντιδράσεις που γίνονται στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Fuel crossover and internal currents. Μέρος του καυσίμου περνάει μέσα από τον ηλεκτρολύτη. Επίσης μια μικρή ποσότητα ηλεκτρονίων περνούν μέσα από τον ηλεκτρολύτη και όχι από το εξωτερικό κύκλωμα. Έχει αξιοσημείωτη επιρροή στις low-temperature κυψέλες καυσίμου. Ωμικές απώλειες. Οφείλεται στην αντίσταση που αντιμετωπίζουν τα ηλεκτρόνια μέσα από το υλικό των ηλεκτροδίων και όλων των διασυνδέσεων. Απώλειες συγκέντρωσης ή απώλειες μεταφοράς μάζας. Καθώς το καύσιμο χρησιμοποιείται, αλλάζει η συγκέντρωσή του στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων με αποτέλεσμα να αλλάζει η τάση. 4.9 Απώλειες Ενεργοποίησης Εξίσωση Tafel Η εξίσωση Tafel δίνεται από: ΔΔVV aaaaaa = AAAAAA ii ii 0 Η σταθερά Α είναι μεγαλύτερη όταν η ηλεκτροχημική αντίδραση είναι αργή. Η σταθερά i 0 είναι μεγαλύτερη όταν η αντίδραση είναι γρήγορη

75 Η πυκνότητα ρεύματος i 0 είναι όταν η τάση ξεκινάει να φεύγει από το μηδέν. Επίσης είναι γνωστή με το όνομα πυκνότητα ρεύματος εναλλαγής (exchange current density). Η εξίσωση έχει νόημα μόνο όταν ισχύει i>i Οι σταθερές στην εξίσωση Tafel Μπορεί να δειχθεί ότι η σταθερά Α, για μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου όπου μεταφέρονται 2 ηλεκτρόνια ανά mol, δίνεται από: AA = RRRR 2ααFF Η σταθερά α ονομάζεται συντελεστής μεταφοράς φορτίου. Η τιμή του εξαρτάται από την αντίδραση και από το υλικό των ηλεκτροδίων και κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1.0. Για το ηλεκτρόδιο στη μεριά του υδρογόνου η τιμή του είναι περίπου 0.5. Για το ηλεκτρόδιο στην μεριά του οξυγόνου η τιμή κυμαίνεται μεταξύ 0.1 και 0.5. Αν και βλέπουμε ότι η θερμοκρασία εισάγεται μέσα στην εξίσωση και θα έπρεπε να παίζει ρόλο η μεταβολή της, στην πραγματικότητα το μόνο που επηρεάζει σημαντικά την εξίσωση είναι το i 0. Είναι σημαντικό να κάνουμε την τιμή του όσο γίνεται μεγαλύτερη. Θεωρώντας ως μοναδική απώλεια τις απώλειες ενεργοποίησης έχουμε την εξής τάση εξόδου: VV = EE NNNNNNNNNNNN AAAAAA ii ii

76 Σχήμα 4. 5 Τάση εξόδου μόνο με απώλειες ενεργοποίησης και μόνο στο ένα ηλεκτρόδιο, για i 0 = 0.01, 1.0, & 100 ma cm -2 Στο Σχήμα 4. 5 παριστάνεται αυτή η σχέση για μια τυπική τιμή του Α=0.06 V. Όσο μικρότερο το i 0, τόσο μεγαλύτερη η πτώση τάσης. Επίσης πρέπει να είναι i>i 0 για να έχει νόημα η σχέση. Πίνακας 4. 4 i 0 για το ηλεκτρόδιο υδρογόνου για διάφορα μέταλλα και με όξινο ηλεκτρολύτη Στον Πίνακας 4. 4 φαίνονται τιμές του i 0 για διάφορα μέταλλα για το ηλεκτρόδιο. Στην πραγματικότητα οι τιμές είναι αρκετά μεγαλύτερες. Αυτό οφείλεται στο ότι τα ηλεκτρόδια δεν είναι λεία. Έτσι η πραγματική τους επιφάνεια είναι σχεδόν 10 3 φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική (μήκος x πλάτος). Έχει παρατηρηθεί ότι το i 0 στο ηλεκτρόδιο οξυγόνου (κάθοδος) είναι πολύ μικρότερο από το αντίστοιχο του υδρογόνου (άνοδος). Για χαμηλής θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου υδρογόνου σε πίεση περιβάλλοντος, όπου i 0 =0.1 ma cm -2 στην κάθοδο και i 0 =200 ma cm -2 στην άνοδο, οι απώλειες ενεργοποίησης στην άνοδο θεωρούνται αμελητέες

77 Στη δική μας εξομοίωση θα χρησιμοποιήσουμε πλατίνα (Pt) οπότε: i 0 =5 x 10-4 A cm Μείωση των απωλειών ενεργοποίησης Αυξάνοντας τη θερμοκρασία της κυψέλης. Για κυψέλες χαμηλής θερμοκρασίας το i 0 στην κάθοδο είναι 0.1 ma cm -2, ενώ για κυψέλη στους 800 ο C είναι 10 ma cm -2, δηλαδή 100 φορές μεγαλύτερο. Χρησιμοποιώντας πιο αποδοτικούς καταλύτες. Η επιλογή μπορεί να γίνει κοιτώντας τον Πίνακας Αυξάνοντας την τραχύτητα των ηλεκτροδίων. Αυτό αυξάνει την πραγματική επιφάνεια και έτσι μειώνεται το i 0. Αυξάνοντας τη συγκέντρωση των αντιδρώντων, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας καθαρό οξυγόνο αντί για ατμοσφαιρικό αέρα. Αυτό συμβαίνει γιατί τότε γίνονται πιο αποδοτικοί οι καταλύτες. Αυξάνοντας την πίεση. Να σημειωθεί ότι σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, οι απώλειες ενεργοποίησης γίνονται λιγότερο σημαντικές Fuel Crossover & Internal Currents Αν και ο ηλεκτρολύτης σε μια κυψέλη καυσίμου έχει επιλεγεί για την ιονική του αγωγή, πάντα θα υπάρχει μια ποσότητα ηλεκτρονίων που θα περνά μέσα από τη μεμβράνη. Αυτό είναι τα εσωτερικά ρεύματα (internal currents). Επίσης ένα μέρος του καυσίμου δεν ιονίζεται στην άνοδο και περνάει μέσα από την μεμβράνη όπου στην κάθοδο αντιδρά με το οξυγόνο παράγοντας νερό. Έτσι χάνεται χωρίς να παράγει ρεύμα. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό με την ονομασία fuel crossover. Αυτά τα δυο φαινόμενα έχουν ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα καθώς είτε περάσει ένα mol καυσίμου μέσα από τη μεμβράνη είτε περάσουν 2 ηλεκτρόνια χάνεται η ίδια ενέργεια. Υπό όρους ενεργειακών απωλειών, αυτές οι απώλειες δεν είναι σημαντικές. Όμως στις κυψέλες χαμηλής θερμοκρασίας, προκαλούν μια αξιοσημείωτη πτώση τάσης σε κατάσταση ανοιχτοκυκλώματος. Σε PEM-κυψέλες χαμηλής θερμοκρασίας που λειτουργούν με αέρα σε πίεση περιβάλλοντος, η τάση ανοιχτού κυκλώματος

78 πέφτει περίπου κατά 0.2 V από τα ~1.2 που αναμένονταν.εξαιτίας αυτής της εσωτερικής πυκνότητας ρεύματος, η πυκνότητα ρεύματος της κυψέλης δεν είναι μηδέν ακόμα και αν η κυψέλη είναι σε ανοιχτό κύκλωμα. Η απόκλιση της τάσης που θα εμφανιστεί, όπως είπαμε στην προηγούμενη παράγραφο, οφείλεται στην πολύ απότομη μείωση της τάσης σύμφωνα με το Σχήμα Οι γραφικές και ο Πίνακας 4. 5 μας δείχνουν ότι μια μικρή μεταβολή στο fuel crossover και/η στα εσωτερικά ρεύματα (internal currents), που μπορούν να προκληθούν από μια μεταβολή στην υγρασία του ηλεκτρολύτη, θα οδηγήσουν σε μεγάλη μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV). Ο Πίνακας 4. 5 έχει προκύψει από VV = EE NNNNNNNNNNNN AAAAAA ii ii 0 όπου Ε=1.2 V A=0.06 V και i 0 =0.04 ma cm -2 Πίνακας 4. 5 Τάσεις κυψέλης σε χαμηλές πυκνότητες ρεύματος Αυτά τα ρεύματα δεν μπορούν να μετρηθούν δε μπορούμε να εισάγουμε αμπερόμετρο. Ένας τρόπος είναι να μετρήσουμε την κατανάλωση των αντιδρώντων υπό συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος. Από τη βιβλιογραφία έχουμε τη σχέση που συνδέει το ρεύμα με την κατανάλωση καυσίμου: GGGGGG uuuuuuuuuu = II 2FF mmmmmmmmmm ssssss 1 II = GGGGGG uuuuuuuuuu 2FF

79 Εάν i n είναι τα εσωτερικά ρεύματα, τότε λαμβάνοντας υπόψη κ τις απώλειες ενεργοποίησης, έχουμε: VV = EE NNNNNNNNNNNN AAAAAA ii + ii nn ii 0 Χρησιμοποιώντας τυπικές τιμές για μια κυψέλη χαμηλής θερμοκρασίας, Ε=1.2 V, A=0.06 V, i 0 =0.04 ma cm -2 και i n =3 ma cm -2 προκύπτει το Σχήμα Σχήμα 4. 6 Τάση κυψέλης καυσίμου με απώλειες συγκέντρωσης και απώλειες εσωτερικών ρευμάτων/fuel crossover Να σημειωθεί ότι στις υψηλές θερμοκρασίες όπου το i 0 είναι μεγάλο, αυτές οι απώλειες έχουν μικρή επίδραση και αυτό φαίνεται στην αρχική απότομη πτώση τάσης η οποία σχεδόν έχει εξαλειφθεί. Επίσης δεν παίζουν σχεδόν κανένα ρόλο υπό συνθήκες λειτουργίας αλλά μόνο κατά το ανοιχτό κύκλωμα και εφόσον πρόκειται για κυψέλη χαμηλής θερμοκρασίας. Στη μοντελοποίηση που θα κάνουμε δε θα λάβουμε υπόψη μας αυτές τις απώλειες καθότι είναι αμελητέες κατά τη λειτουργία

80 4.11 Ωμικές Απώλειες Οι απώλειες εξαιτίας της ηλεκτρικής αντίστασης των ηλεκτροδίων, καθώς και η αντίσταση στη ροή των ιόντων στον ηλεκτρολύτη είναι τα πιο απλά στη μοντελοποίηση. Το μέγεθος της πτώσης τάσης είναι απλά ανάλογο του ρεύματος. VV = IIII Στις περισσότερες κυψέλες καυσίμου η αντίσταση προκαλείται κυρίως από τον ηλεκτρολύτη, παρόλα αυτά οι διασυνδέσεις και τα διπολικά ελάσματα είναι σημαντικά. Επειδή παντού χρησιμοποιούμε την έννοια της πυκνότητας ρεύματος, για να μπορέσουμε να την εισάγουμε και εδώ θα ορίσουμε την πυκνότητα αντίστασης που είναι η αντίστασης σε επιφάνεια 1 cm -2. Τότε προκύπτει η σχέση: ΔΔVV oohmm = iiii όπου το I είναι σε ma cm -2 και η αντίσταση σε kω cm -2. εξίσωση: Για να μοντελοποιήσουμε αυτήν την πτώση τάσης θα εισάγουμε την RR mm = ρρ ΜΜll AA όπου ρ Μ είναι η ειδική αντίσταση της μεμβράνης στη ροή ηλεκτρονίων (Ω x cm), l είναι το πάχος της μεμβράνης (cm) και Α είναι η επιφάνεια της κυψέλης (cm 2 ). Έτσι η αρχική μας εξίσωση γίνεται: ΔΔVV oohmm = ii rr = II AA PPPPPP ρρ ΜΜ TT PPPPPP όπου T PEM είναι και πάλι το πάχος της κυψέλης και A PEM είναι η ενεργός επιφάνεια. Αρχικές τιμές θα είναι A PEM =380 cm 2 και T PEM =0.015 cm. Η ειδική αντίσταση δίνεται από τη σχέση: II AA TT PPPPPP II AA 2.5 PPPPPP ρρ ΜΜ = ψψ 0,634 3 ΙΙ AA ee 4.18 TT 303 TT PPPPPP όπου 181.6/(ψ-0.634) είναι η ειδική αντίσταση (Ω x cm) για ρεύμα χωρίς φορτίο και θερμοκρασία 30 ο C, Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία (Κ), ψ είναι μια παράμετρος

81 με πιθανή μέγιστη τιμή το 23 και e 4.18(T-303)/T είναι ένας παράγοντας διόρθωσης θερμοκρασίας εάν η κυψέλη δεν είναι στους 30 ο C. Η παράμετρος ψ εξαρτάται από την διαδικασία παρασκευής της κυψέλης και είναι μια συνάρτηση της σχετικής υγρασίας και της στοιχειομετρίας στην άνοδο. Οι τιμές κυμαίνονται από 14 υπό ιδανικές συνθήκες και 100% υγρασία έως και για υπερκορεσμένες συνθήκες. Υπάρχουν τρεις τρόποι για να μειώσουμε την εσωτερική αντίσταση: i. Να χρησιμοποιήσουμε ηλεκτρόδια με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη αγωγιμότητα. ii. Καλή σχεδίαση και χρήση κατάλληλων υλικών για τα διπολικά ελάσματα και τις διασυνδέσεις. iii. Κάνοντας τη μεμβράνη όσο γίνεται πιο λεπτή. Όμως αυτό δεν είναι εύκολο καθώς ο ηλεκτρολύτης πρέπει να είναι κάποιες φορές αρκετά παχύς ώστε να στηριχθούν τα ηλεκτρόδια ή αρκετά φαρδύς ώστε να επιτρέπει κυκλική ροή στον ηλεκτρολύτη. Σε κάθε περίπτωση πρέπει να είναι αρκετά παχύς ώστε να εμποδίζει βραχυκυκλώματα μεταξύ των ηλεκτροδίων μέσω του ηλεκτρολύτη, κάτι το οποίο σημαίνει φυσική στιβαρότητα Απώλειες Μεταφοράς Μάζας και Συγκέντρωσης Εάν το οξυγόνο στην κάθοδο της κυψέλης καυσίμου τροφοδοτείται με μορφή αέρα, τότε εξυπακούεται ότι κατά τη λειτουργία της κυψέλης θα υπάρχει μείωση της συγκέντρωσης του οξυγόνου στην περιοχή του ηλεκτροδίου καθώς το οξυγόνο εξάγεται. Η έκταση της μεταβολής στη συγκέντρωση εξαρτάται από το ρεύμα που τραβιέται από τη κυψέλη καθώς και από φυσικούς παράγοντες που σχετίζονται με το πόσο καλά μπορεί να κυκλοφορεί ο αέρας γύρω από την κάθοδο και πόσο γρήγορα μπορεί το οξυγόνο να αναπληρωθεί. Αυτή η μεταβολή στη συγκέντρωση θα προκαλέσει μείωση στη μερική πίεση του οξυγόνου. Όμοια, εάν η άνοδος της κυψέλης τροφοδοτείται με υδρογόνο, θα υπάρχει μια αντίστοιχη μείωση στη μερική πίεση του υδρογόνου εξαιτίας του ρεύματος που «τραβιέται» από την κυψέλη. Αυτή η μείωση στην πίεση από το γεγονός ότι καθώς το υδρογόνο ρέει μέσα στους αγωγούς, αυτοί αντιστέκονται στη ροή με έτσι πέφτει

82 η πίεση. Αυτή η μείωση εξαρτάται από το ρεύμα κ από το σύστημα που τροφοδοτεί το οξυγόνο. Σε κάθε περίπτωση, η μείωση της πίεσης των αερίων θα οδηγήσει σε πτώση τάσης. Δεν υπάρχει αναλυτικός τρόπος για να υπολογίσουμε αυτές τις απώλειες. Μια προσέγγιση μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας την εξίσωση ΔΔVV = RRRR 2FF llll PP 2 PP 1 Τώρα η μεταβολή της πίεσης που προκλήθηκε από τη χρήση του καυσίμου μπορεί να υπολογιστεί ως εξής. Θεωρούμε μια οριακή πυκνότητα ρεύματος i 1 στην οποία το καύσιμο χρησιμοποιείται με ρυθμό ίσο με το μέγιστο ρυθμό που τροφοδοτείται. Η πυκνότητα ρεύματος δε μπορεί να γίνει μεγαλύτερη από αυτό αφού δεν μπορεί να τροφοδοτηθεί το καύσιμο πιο γρήγορα. Σε αυτήν την πυκνότητα ρεύματος η πίεση θα είναι στο μηδέν. Εάν P 1 είναι η πίεση όταν η πυκνότητα ρεύματος είναι μηδέν και υποθέτοντας ότι η πίεση πέφτει γραμμικά στο μηδέν για πυκνότητα ρεύματος i 1, τότε η πίεση P 2 για οποιαδήποτε πυκνότητα ρεύματος i δίνεται από τη σχέση: PP 2 = PP 1 1 ii ii 1 Σύμφωνα με την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι: ΔΔVV = RRRR ii llll 1 2FF ii 1 και μας δίνει την πτώση τάσης λόγω απωλειών μάζας. Πρέπει να προσεχθεί ότι η παρένθεση είναι πάντα μικρότερη της μονάδας και συνεπώς ο λογάριθμος θα είναι αρνητικός. Έτσι για να προκύψει σωστά η πτώση τάσης θα προσθέσουμε ένα «-». ΔΔVV tttttttttt = RRRR ii llll 1 2FF ii 1 Όμως αυτή η θεωρητική προσέγγιση έχει πολλές αδυναμίες, ειδικά στην περίπτωση που οι κυψέλες τροφοδοτούνται με αέρα και όχι με καθαρό οξυγόνο. Υπάρχει επίσης πρόβλημα με τις κυψέλες χαμηλής θερμοκρασίας καθώς και με αυτές που τροφοδοτούνται με μίγμα υδρογόνου με άλλα αέρια όπως διοξείδιο του άνθρακα. Επίσης δε λαμβάνεται υπόψη η παραγωγή και απομάκρυνση των προϊόντων της αντίδρασης, όπως νερό, ούτε και ο σχηματισμός αζώτου στα συστήματα αέρα

83 Υπάρχει άλλη μια προσέγγιση η οποία χρησιμοποιείται αρκετά σήμερα. Δίνεται από τη σχέση: ΔΔVV tttttttttt = mm eexxxx(nnnn) Η τιμή του m θα είναι τυπικά περίπου στο 3 x 10-5 V και το n περίπου 8 x 10-3 cm 2 ma -1. Οι δύο προσεγγίσεις δίνουν σχεδόν ίδια αποτελέσματα αρκεί να επιλεγούν κατάλληλες τιμές για τα m και n. Οι απώλειες συγκέντρωσης ή μεταφοράς μάζας είναι σημαντικές σε περιπτώσεις όπου το υδρογόνο τροφοδοτείται από κάποιο μετατροπέα σχηματισμού, καθώς μπορεί να υπάρχει δυσκολία στο να αυξηθεί ο ρυθμός τροφοδοσίας αρκετά γρήγορα για να ανταποκριθεί στη ζήτηση. Μια άλλη σημαντική περίπτωση είναι στον αέρα της καθόδου, εάν ο αέρας δεν κυκλοφορεί καλά. Ένα ιδιαίτερο πρόβλημα είναι το άζωτο που μένει πίσω αφού καταναλώνεται το οξυγόνο από τον αέρα της αντίδρασης. Αυτό μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στη μεταφορά μαζών μπλοκάρει την παροχή οξυγόνου. Στις PEM κυψέλες η απομάκρυνση του νερού μπορεί να προκαλέσει απώλειες συγκέντρωσης ή μεταφοράς μάζας Συνδυάζοντας τις Απώλειες Τελική Τάση Εξόδου Συνδυάζοντας όλες τις απώλειες προκύπτει η εξής εξίσωση: VV = EE NNNNNNNNNNNN ΔΔVV oohmm ΔΔVV aaaaaa ΔΔVV tttttttttt όπου VV = EE NNeeeeeeeeee iiii AAAAAA ii + ii nn mm eeeeee(nnnn) ii 0 EE NNNNNNNNNNNN = EE 0 + ΔΔSS 2FF TT TT rrrrrr + RRRR 2FF llll PP HH llll PP OO2 i n είναι η πυκνότητα ρεύματος για τα εσωτερικά ρεύματα και το fuel crossover AA = RRRR 2ααFF ii 0 είναι η πυκνότητα ρεύματος εναλλαγής mm & nn είναι σταθερές για την εξίσωση των απωλειών συγκέντρωσης και μεταφοράς μάζας rr είναι η αντίσταση ανά μονάδα επιφάνειας

84 Αν και αυτή η εξίσωση είναι σωστή, συνήθως απλοποιείται για πρακτικούς λόγους. Το ρεύμα i n είναι συνήθως πολύ μικρό και έτσι αγνοείται κατά τη λειτουργία της κυψέλης. Παίζει ρόλο μόνο για να εξηγήσει την απότομη πτώση της τάσης στην αρχή. Αναδιατάσσοντας τις απώλειες ενεργοποίησης έχουμε: ΔΔVV aaaaaa = AAAAAA ii ii 0 = AAAAAA(ii) AAAAAA(ii 0 ) Επειδή ο δεύτερος όρος είναι σταθερός, θα ορίσουμε ως τάση ανοιχτού κυκλώματος: EE oooo = EE NNNNNNNNNNNN + AAAAAA(ii 0 ) Να προσεχθεί ότι αν και έχουμε πρόσθεση, στην πραγματικότητα το E oc θα είναι μικρότερο από το E Nernst επειδή το i 0 είναι πολύ μικρό και συνεπώς οδηγεί σε αρνητικό αποτέλεσμα. Η νέα εξίσωση που παράγεται είναι: VV = EE oooo iiii AAAAAA(ii) mm eeeeee(nnnn) Αν και είναι απλή σαν εξίσωση, δίνει πάρα πολύ καλά αποτελέσματα. Αυτό θα φανεί από μια απλή εξομοίωση σε MatLab. Πίνακας 4. 6 Σταθερές για την προηγούμενη εξίσωση Χρησιμοποιώντας κάποιες από τις τιμές του Πίνακας 4. 6 για μια PEM κυψέλη καυσίμου, συντάσσουμε τον ακόλουθο κώδικα σε MatLab: Eoc=1.19; A=0.05; r= ; m=2.11e-5; n=0.008; for i=1:1300 v(i)=eoc-r*i-a*log(i)-m*exp(n*i); p(i)=v(i)*i*400/1000; end plot(v) plot(p)

85 Το ρεύμα πρέπει να ξεκινάει από μη μηδενική τιμή αλλιώς απειρίζεται ο λογάριθμος. Αρχική τιμή i=1 ma cm -2. Η τιμή «400» είναι η επιφάνεια της κυψέλης σε cm -2 και την βάζουμε για να βγάλουμε ρεύμα για την ισχύ και όχι πυκνότητα ρεύματος. Διαιρούμε με το «1000» για να βγει το ρεύμα σε Amperes κ συνεπώς η ισχύς σε Watt. Σχήμα 4. 7 Ιδανική χαρακτηριστική τάσης της κυψέλης τάση σε V (y-axis), πυκνότητα ρεύματος σε ma cm -2 (x-axis) Σχήμα 4. 8 Ιδανική χαρακτηριστική ισχύος της κυψέλης ισχύς σε W (y-axis), πυκνότητα ρεύματος σε ma cm -2 (x-axis)

86 4.14 Φαινόμενο Φορτίου Διπλού Στρώματος (Double Layer Charging Effect) Αυτό το φαινόμενο παίζει βασικό ρόλο στη δυναμική συμπεριφορά της κυψέλης καυσίμου. Στα ηλεκτροχημικά συστήματα, το φαινόμενο φορτίου διπλού στρώματος οφείλεται σε φαινόμενα διάχυσης, όπως στους ημιαγωγούς, και στις αντιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων στα ηλεκτρόδια, και των ιόντων στον ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόνια θα μαζευτούν στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και τα H + ιόντα θα έλκονται στην επιφάνεια του ηλεκτρολύτη. Αυτά τη ηλεκτρόνια και τα ιόντα μαζί με το οξυγόνο που τροφοδοτείται στην κάθοδο θα πάρουν μέρος στην αντίδραση καθόδου: OO 2 + 4ee + 4HH + 2HH 2 OO Σχήμα 4. 9 Double Layer Charging Effect στην επιφάνεια της καθόδου Η πιθανότητα να συμβεί η αντίδραση προφανώς εξαρτάται από την πυκνότητα των φορτίων, των ηλεκτρονίων και των Η + ιόντων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη. Όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα. Όμως οποιαδήποτε συγκέντρωση φορτίου όπως αυτή των ηλεκτρονίων και των θετικών ιόντων υδρογόνου στο ηλεκτρόδιο/ηλεκτρολύτη θα δημιουργήσουν ηλεκτρική τάση. Η τάση σε αυτή την περίπτωση είναι η τάση ενεργοποίησης που αναφέρθηκε στην ενότητα 4.9. Έτσι το φαινόμενο φορτίου

87 διπλού στρώματος δίνει μια εξήγηση γιατί συμβαίνει η τάσης ενεργοποίησης. Δείχνει ότι ένα τέτοιο φαινόμενο είναι απαραίτητο για να συμβεί μια αντίδραση, ότι χρειάζεται περισσότερο φορτίο εάν το ρεύμα είναι μεγαλύτερο και ότι τελικά η τάση ενεργοποίησης είναι μεγαλύτερη εάν το ρεύμα είναι μεγαλύτερο. Μπορούμε να δούμε ότι η καταλυτική ικανότητα του ηλεκτροδίου είναι σημαντική, καθώς ένας αποδοτικότερος καταλύτης θα αυξήσει την πιθανότητα να συμβεί η αντίδραση και έτσι μπορεί να ρέει μεγαλύτερο ρεύμα χωρίς την τόση συγκέντρωση φορτίου. Το στρώμα φορτίου πάνω ή κοντά στη διεπαφή ηλεκτροδίου/καταλύτη είναι μια αποθήκη ηλεκτρικού φορτίου και ενέργειας, και έτσι συμπεριφέρεται ως ηλεκτρικός πυκνωτής. Εάν το ρεύμα αλλάξει, θα χρειαστεί κάποιος χρόνος για αυτό το φορτίο (και την σχετική τάση) να διασκορπιστεί (εάν το ρεύμα μειώνεται) ή να συσσωρευτεί (εάν το ρεύμα αυξάνεται). Έτσι η τάση ενεργοποίησης δεν ακολουθεί το ρεύμα με το ίδιο τρόπου που κάνει η ωμική πτώση τάσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι εάν το ρεύμα αλλάξει ξαφνικά, η τάση λειτουργίας εμφανίζει μια άμεση μεταβολή εξαιτίας της εσωτερικής αντίστασης, αλλά κινείται λίγο πιο αργά προς την τελική της τιμή. Ένας τρόπος για να προσομοιώσουμε αυτό το φαινόμενο είναι με ένα ηλεκτρικό πυκνωτή. Η χωρητικότητά του δίνεται από τη σχέση: CC = εε AA dd όπου ε είναι η ηλεκτρική διαπερατότητα, Α είναι η πραγματική επιφάνεια του ηλεκτροδίου η οποία είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική επιφάνεια (μήκος x πλάτος), και d είναι η απόσταση μεταξύ των ελασμάτων η οποία είναι πολύ μικρή, τυπικά μόνο μερικά νανόμετρα. Έτσι φτάνουμε σε χωρητικότητες της τάξης των μερικών Farad οι οποίες είναι προφανώς τεράστιες (υπερπυκνωτές). Έτσι καταλήγουμε στο τελικό μοντέλο μια κυψέλης καυσίμου το οποίο φαίνεται στο Σχήμα

88 Σχήμα Ισοδύναμο κύκλωμα μοντέλου μιας κυψέλης καυσίμου 4.15 Σχεδιασμός Μοντέλου Κυψέλης Καυσίμου Υδρογόνου στο PSCAD Επειδή δεν υπάρχει έτοιμο μοντέλο κυψέλης καυσίμου στη βιβλιοθήκη του προγράμματος, θα κατασκευάσουμε δικό μας μοντέλο. Θα στηριχθούμε στις παρακάτω εξισώσεις: VV = EE NNNNNNNNNNNN ΔΔVV oohmm ΔΔVV aaaaaa ΔΔVV tttttttttt EE = EE 0 + ΔΔSS TT TT 2FF rrrrrr + RRRR llll PP 2FF HH llll PP OO2 ΔΔVV oohmm = ii rr = II ρρ AA ΜΜ TT PPPPPP PPPPPP ΔΔVV aaaaaa = RRRR ii llll 2ααFF ii 0 ΔΔVV tttttttttt = mm eeeeee(nnnn) Θα κάνουμε κάποιες θεωρήσεις, οι οποίες αναφέρθηκαν και στην αρχή του κεφαλαίου, καθώς και κάποιες νέες. Μελέτη μόνο στη μία διάσταση. Ιδανικά και ομοιόμορφα κατανεμημένα αέρια. Σταθερή πίεση των αερίων κατά τη ροή μέσα στα κανάλια. Το υδρογόνο και το οξυγόνο υπό μορφή ατμοσφαιρικού αέρα είναι ενυδατωμένα. Υποθέτουμε επίσης ότι η πίεση των υδρατμών στην άνοδο είναι 50% της πίεσης κορεσμού του νερού ενώ στην κάθοδο είναι 100%

89 Θερμοδυναμικές ιδιότητες εφαρμόζονται για την μέση θερμοκρασία της κυψέλης, αμελούμε την ποικιλότητα της θερμοκρασίας κατά μήκος της κυψέλης και θεωρούμε ότι η συνολική θερμοχωρητικότητα της στοίβας είναι σταθερή. Παράμετροι για μία κυψέλη επεκτείνονται αθροιστικά σε ολόκληρη τη στοίβα Κατασκευή της εξίσωσης Nernst EE = EE 0 + ΔΔSS 2FF TT TT rrrrrr + RRRR 2FF llll PP HH llll PP OO2 Για αυτήν την εξίσωση έχουμε: i. EE 0 = VV ii. iii. ΔΔSS 2FF = TT rrrrrr = KK iv. RRRR 2FF = v. Οι μερικές πιέσεις του υδρογόνου και του οξυγόνου δίνονται από τις σχέσεις: PP ii HH2 = PP HH2,iiii eeeeee 0.5PP ssssss,hh2 OO TT PP ii OO2 = PP HH2,iiii eeeeee PP ssssss,hh2 OO ii = II AA PPPPPP TT vi. Η πίεση κορεσμού του νερού δίνεται από: PP ssssss,hh2 OO = 25,7 0,1615 ΤΤ + 2, ΤΤ 2 [atm] Με όλα τα παραπάνω προχωράμε στην κατασκευή των μερών που θα αποτελέσουν την κυψέλη μας. Σχήμα Πίεση κορεσμού του νερού

90 Το Σχήμα υπολογίζει την πίεση κορεσμού του νερού. Έχει ως είσοδο τη θερμοκρασία η οποία ελέγχεται από ένα slider ώστε να μπορούμε να τη ρυθμίσουμε ανά πάσα στιγμή. Μέσα στο κουτί περιέχεται η εξίσωση που υπολογίζει την πίεση κορεσμού του νερού. Σχήμα Μερικές πιέσεις υδρογόνου και οξυγόνου Το Σχήμα υπολογίζει τις μερικές πιέσεις οξυγόνου και υδρογόνου. Έχει ως εισόδους την πίεση υδρογόνου και οξυγόνου σε ατμόσφαιρες [atm] οι οποίες μπορούν να ρυθμιστούν εξωτερικά με slider, το ρεύμα της κυψέλης, η ενεργός επιφάνεια της κυψέλης σε cm 2 που ρυθμίζεται εξωτερικά, μια μεταβλητή F η οποία ισούται με FF = TT και απλά μας διευκόλυνε στη συγγραφή του κώδικα, και τέλος την πίεση κορεσμού του νερού. Μέσα στο κουτί βρίσκονται οι εξισώσεις που υπολογίζουν τις μερικές πιέσεις υδρογόνου και οξυγόνου

91 Σχήμα Μοντέλο κυψέλης καυσίμου Το Σχήμα υπολογίζει την εξίσωση Nernst καθώς και όλες τις εσωτερικές απώλειες που αναφέραμε νωρίτερα. Έχει ως εισόδους τη θερμοκρασία Τ, τις μερικές πιέσεις υδρογόνου και οξυγόνου, τη μεταβλητή m που είναι στις απώλειες συγκέντρωσης, τη μεταβλητή α που είναι στις απώλειες ενεργοποίησης, το πάχος της μεμβράνης T PEM, τη μεταβλητή ψ (Y) που είναι στον υπολογισμό της ωμικής πτώσης τάσης και το ρεύμα κυψέλης Ι. Μέσα στο κουτί βρίσκονται οι εξισώσεις που υπολογίζουν το κάθε είδος απωλειών. Σχήμα Τάση εξόδου μοντέλου κυψέλης Το Σχήμα μας δίνει την καθαρή τάση εξόδου της κυψέλης έχοντας αφαιρέσει από την τάση Nernst τις απώλειες. Ο πυκνωτής που έχει μπει παράλληλα στις απώλειες ενεργοποίησης και συγκέντρωσης είναι για το double layer charging

92 effect. Η τιμή του επιλέχθηκε 3 Farad, μια λογική τιμή για το συγκεκριμένο φαινόμενο. Οι αντιστάσεις που αντιστοιχούν στις απώλειες παίρνουν τιμή από το Σχήμα Σχήμα Υπολογισμός αντιστάσεων απωλειών Έτσι προκύπτει η τάση για μία κυψέλη. Εφαρμόζοντας την 6 η υπόθεση, για να πάρουμε μια στοίβα, θα πολλαπλασιάσουμε την τάση της μια κυψέλης με το πλήθος των κυψελών. Σχήμα Τάση εξόδου στοίβας 100 κυψελών καυσίμου Ο αριθμός 100 κυψελών δεν είναι τυχαίος. Έχει επιλεγεί σύμφωνα με ανάλυση που γίνεται σε άλλο κεφάλαιο. Επίσης έχει εισαχθεί ένα panel ελέγχου που θα ρυθμίζει κάποιες από τις μεταβλητές μας όπως φαίνεται στο Σχήμα Τα όρια που έχουν οι μεταβλητές στο πάνελ είναι πραγματικά και έτσι φροντίζουμε να κινούμαστε μόνο μέσα σε θεμιτά πλαίσια για τις δοκιμές μας. Βλέπουμε ότι δουλεύομε σε 60 ο C θερμοκρασία κυψέλης, 1.2 atm πίεση υδρογόνου, 1.4 atm πίεση οξυγόνου, 380 cm 2 επιφάνεια κυψέλης, cm πάχος μεμβράνης

93 Σχήμα Control Panel Για να ελέγξουμε τη λειτουργία της κυψέλης βάλαμε διάφορα φορτία (αντιστάσεις) και είδαμε το ρεύμα και την ισχύ που δίνει η κυψέλη. Σχήμα Κατανάλωση ενέργειας κυψέλης σε φορτίο Σχήμα Ισχύς κυψέλης και στοίβας Σχήμα Μετρητικά αποτελέσματα με τυχαίο παράδειγμα Έτσι μας προκύπτουν οι χαρακτηριστικές τάσης κ ισχύος σε συνάρτηση της πυκνότητας ρεύματος, για μια στοίβα με 100 κυψέλες και επιφάνεια κυψέλης 380 cm 2. Οι δοκιμές έγιναν μεταβάλλοντας χειροκίνητα το φορτίο και αποθηκεύοντας τα δεδομένα

94 Σχήμα Μετρηθείσα χαρακτηριστική τάσης Σχήμα Μετρηθείσα χαρακτηριστική ισχύος Παρατηρούμε ότι οι καμπύλες μας προσεγγίζουν αρκετά καλά τις θεωρητικές καμπύλες. Οι μικρές αστοχίες μπορεί να οφείλονται στην επιλογή κάποιων μη ιδανικών τιμών των παραμέτρων

95 Κεφάλαιο 5 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΟΣ ΑΝΥΨΩΤΗ ΤΑΣΗΣ 5.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται η ανάλυση και η μοντελοποίηση ενός μετατροπέα ανύψωσης τάσης καθώς και ο έλεγχος αυτού. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η τάση εξόδου της κυψέλης καυσίμου δεν είναι σταθερή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι μεταβολές που συμβαίνουν στα φορτία έχουν ως αποτέλεσμα να μεταβάλλεται το ρεύμα που απαιτούν τα φορτία κ συνεπώς να μεταβάλλεται το ρεύμα που καλείται να δώσει η κυψέλη καυσίμου. Αυτή η αλλαγή του ρεύματος οδηγεί σε αυξομειώσεις της τάσης. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό ακριβώς το πρόβλημα, συνδέουμε στην έξοδο της στοίβας κυψελών καυσίμου, έναν μετατροπέα ανύψωσης τάσης ο οποίος με ένα κατάλληλο σύστημα ελέγχου θα φροντίζει να κρατάει την τάση σταθερή στις μεταβολές του φορτίου. 5.2 Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης Για την ανύψωση της τάσης εισάγεται η λογική σχεδίασης ενός μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση (Step-up ή Boost Converter), ο οποίος παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Σχήμα 5. 1 Μετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση Boost Converter

96 Ο συγκεκριμένος μετατροπέας αποτελείται από μία πηγή συνεχούς τάσης V i, ένα πηνίο L f στην είσοδο, ένα διακοπτικό στοιχείο, μία δίοδο ισχύος D 0 και έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή C o στην έξοδο για να περιορίζεται η κυμάτωση της τάσης. Η λειτουργία του χωρίζεται σε δύο φάσεις: Στην πρώτη φάση, όπου το διακοπτικό στοιχείο άγει, το πηνίο φορτίζεται μέσω της πηγής τάσης. Η δίοδος πολώνεται ανάστροφα απομονώνοντας τη βαθμίδα εξόδου και ο πυκνωτής εκφορτίζεται στο φορτίο που συνδέεται στην έξοδο του μετατροπέα. Σχήμα η φάση λειτουργίας μετατροπέα Boost - διακόπτης κλειστός Στη δεύτερη φάση, όπου το διακοπτικό στοιχείο δεν άγει, η δίοδος πολώνεται ορθά και η πηγή τάσης συνδέεται με το φορτίο, φορτίζοντας παράλληλα και τον πυκνωτή. Η ενέργεια του πηνίου εκφορτίζεται στη βαθμίδα εξόδου. Η τάση, δηλαδή, στα άκρα του πηνίου προστίθεται στην τάση της πηγής και εφαρμόζεται στα άκρα του φορτίου. Σχήμα η φάση λειτουργίας μετατροπέα Boost - διακόπτης ανοιχτός

97 5.3 Περιοχές Λειτουργίας λειτουργίας: Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης χαρακτηρίζεται από δύο περιοχές Λειτουργία Συνεχούς αγωγής Κατά τη λειτουργία συνεχούς αγωγής το ρεύμα του πηνίου δεν προλαβαίνει να μηδενιστεί εξαιτίας της ενέργειας που έχει προσλάβει όταν το διακοπτικό στοιχείο ήταν κλειστό κ η οποία δεν προλαβαίνει να καταναλωθεί πλήρως στο φορτίο όταν ο διακόπτης ανοίγει. Στο Σχήμα 5. 4 παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις των χαρακτηριστικών μεγεθών των στοιχείων που αποτελούν το μετατροπέα, για την περίπτωση όπου το πηνίο δεν προλαβαίνει να εκφορτιστεί πλήρως (κατά τη δεύτερη φάση λειτουργίας), δηλαδή επικρατεί συνεχής αγωγή. Σχήμα 5. 4 Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των στοιχείων του Boost converter κατά τη συνεχή αγωγή

98 Χρησιμοποιώντας τη συνεχή αγωγή στο πηνίο επιτυγχάνεται καλύτερη εξομάλυνση στο ρεύμα εξόδου, αλλά από την άλλη μεριά απαιτείται μεγαλύτερο πηνίο και συνεπώς αυξάνεται το βάρος και ο όγκος της κατασκευής. Η διαμόρφωση του πλάτους εξόδου του μετατροπέα καθορίζεται από την τάση εισόδου και το λόγο κατάτμησης δδ = tt oooo tt oooo +tt oooooo (duty cycle), ο οποίος εκφράζει το χρόνο αγωγής του διακοπτικού στοιχείου tt oooo ως προς την περίοδο λειτουργίας του μετατροπέα TT ss = tt oooo + tt oooooo. Η αύξηση του λόγου κατάτμησης, και συνεπώς του χρόνου αγωγής, συνεπάγεται την αύξηση της μέσης τάσης εξόδου του μετατροπέα. Οι βασικοί τύποι περιγραφής της λειτουργίας του μετατροπέα Boost φαίνονται στον Πίνακας Σχήμα 5. 5 Βασικές κυματομορφές συνεχούς αγωγής Πίνακας 5. 1 Τύποι για το μετατροπέα Boost Λειτουργία Ασυνεχούς αγωγής Κατά τη λειτουργία ασυνεχούς αγωγής, το ρεύμα του πηνίου μηδενίζεται. Αυτό συμβαίνει επειδή κατά τη φάση όπου το διακοπτικό στοιχείο ήταν κλειστό, η

99 ενέργεια που προσέλαβε το πηνίο δεν ήταν αρκετή ώστε να μπορέσει να συνεχίσει να δίνει ρεύμα. Στο Σχήμα 5. 6 παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις των χαρακτηριστικών μεγεθών των στοιχείων που αποτελούν το μετατροπέα, για την περίπτωση όπου το πηνίο προλαβαίνει να εκφορτιστεί πλήρως (κατά τη δεύτερη φάση λειτουργίας), δηλαδή επικρατεί ασυνεχής αγωγή. Σχήμα 5. 6 Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των στοιχείων του Boost converter κατά την ασυνεχή αγωγή Σχήμα 5. 7 Βασικές κυματομορφές ασυνεχούς αγωγής

100 Πίνακας 5. 2 Τύποι για το μετατροπέα Boost στην ασυνεχή αγωγή Οριακή κατάσταση λειτουργίας Πρόκειται για την οριακή κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύμα του πηνίου μόλις που προλαβαίνει να φτάσει στο μηδενισμό. Σχήμα 5. 8 Βασικές κυματομορφές στο όριο συνεχού-ασυνεχούς αγωγής Σε αυτήν την περίπτωση ισχύουν τα εξής: