ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc"

Κύριλλος Αλαβάνος
9 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕ ΤΙΤΛΟ : «ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ» ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc

2 ΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΥΨΕΛΙ ΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ EΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΥΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΥΠΕΡΤΑΣΗΣ ΚΥΨΕΛΙ Α ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ (PEMFC) ΑΝΑΤΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗΣ-ΗΛΕΚΤΡΟ ΙΑ ΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΑ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ (PEMFC) ΑΝΑΤΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗΣ-ΗΛΕΚΤΡΟ ΙΑ

3 ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΥΙΟΘΕΤΗΣΗΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ Βελτίωση βιοτικού επιπέδου Τεχνολογική επανάσταση Υπερκατανάλωση ενέργειας Οικονοµική ανάπτυξη Περιβαλλοντική ρύπανση Κλιµατολογικές αλλαγές (φαινόµενο θερµοκηπίου) Τρόποι αντιµετώπισης Εκµετάλλευση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας Ανάπτυξη εναλλακτικών τεχνολογιών µετατροπής ενέργειας (Κυψελίδες Καυσίµου)

Κλιµατολογικές αλλαγές (φαινόµενο θερµοκηπίου) Τρόποι αντιµετώπισης Εκµετάλλευση

4 ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (εκατοµµύρια τόνοι καυσίµου/χρόνο ) Επικράτηση των ορυκτών καυσίµων Άνθρακας, Πετρέλαιο, Φυσικό Αέριο Πηγή: IEA 2000

5 ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Παραγωγή υδρογόνου Κατεργασία ορυκτών καυσίµων Αναµόρφωση βιοκαυσίµων που προκύπτουν από τη βιοµάζα Ηλεκτρόλυση του νερού Κάλυψη ενεργειακών αναγκών µε τη χρήση υδρογόνου Ανάπτυξη οικονοµίας υδρογόνου Καθαρότερο περιβάλλον Περιορισµένη εκποµπή ρύπων

του νερού Κάλυψη ενεργειακών αναγκών µε τη χρήση υδρογόνου Ανάπτυξη

6 ΚΥΨΕΛΙ ΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΜΕ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗ ΕΚΛΥΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΝΑΤΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Άνοδος Ηλεκτρολύτης Κάθοδος Άνοδος: Οξείδωση του καυσίµου Κάθοδος: Αναγωγή του οξειδωτικού (O 2 ή αέρας) Άνοδος H 2 2H + + 2e - Κάθοδος ½ O 2 + 2H + +2e - H 2 O Ολική Αντίδραση H 2 + ½ O 2 H 2 Ο

Κάθοδος Άνοδος: Οξείδωση του καυσίµου Κάθοδος: Αναγωγή του οξειδωτικού (O 2 ή

7 Απόδοση ενός Κελιού Καυσίµου: ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ n cell = nfe e HHV % HHV: Θερµογόνος ύναµη του Καυσίµου 100 Aποδοση Κελιου Καυσιµου 80 Σύγκριση Απόδοσης Κελιού Καυσίµου και Θερµικής Μηχανής Απόδοση, % ιεργασία Carnot T=50 o C Θερµοκρασία, ο C

Σύγκριση Απόδοσης Κελιού Καυσίµου και Θερµικής Μηχανής Απόδοση, % 60 40 20

8 ΚΥΡΙΟΤΕΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΚΕΛΙΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ SOFC MCFC PAFC AFC PEMFC Ηλεκτρολύτης ZrO 2 µε Υ 2 Ο 3 Li 2 CO 3 K 2 CO 3 H 3 PO 4 KOH Nafion Θερµοκρασία Λειτουργίας C C C C 80 C Καύσιµο H 2, CO, Η/C H 2, CO, H/C H 2 H 2 Η 2, αλκοόλες Οξειδωτικό O 2, αέρας CO 2 /O 2, αέρας O 2, αέρας O 2, αέρας Ο 2, αέρας Απόδοση 45-60% 50-60% 40-50% 50-55% 40-50%

70-250 C 80 C Καύσιµο H 2, CO, Η/C H 2, CO, H/C H 2 H 2 Η 2, αλκοόλες Οξειδωτικό O 2, αέρας

9 EΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΥΨΕΛΙ ΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

10 ΚΥΨΕΛΙ Α ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ (PEMFC) Ηλεκτρολύτης: Πολυµερική Μεµβράνη Ανταλλαγής Πρωτονίων (Nafion) Άνοδος: Κράµα λευκόχρυσου (Pt) µε κάποιο µέταλλο Κάθοδος: Λευκόχρυσος (Pt) Ηλεκτρισµός Άνοδος C 2 H 5 OH + 3H 2 O 2CO H e - H 2 O e - e - H 2 O CO 2 Κάθοδος 3O H + +12e - 6H 2 O Ολική Αντίδραση C 2 H 5 OH + 3O 2 2CO 2 + 3H 2 Ο O 2 H + CO 2 H 2 O C 2 H 5 OH C 2 H 5 OH H 2 O Θερµότητα Κάθοδος Μεµβράνη Άνοδος

5 OH + 3H 2 O 2CO 2 + 12H + + 12e - H 2 O e - e - H 2 O CO 2 Κάθοδος 3O 2 + 12H + +12e - 6H 2 O Ολική

11 ΑΝΑΤΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΨΕΛΙ ΑΣ Ηλεκτρολύτης Πολυµερικης Μεµβράνης Χαρακτηριστικά οµή της µεµβράνης Υψηλή Ιοντική Αγωγιµότητα Αµελητέα Ηλεκτρονιακή Αγωγιµότητα Χηµική και Μηχανική Σταθερότητα Υψηλά Ποσοστά Υγρασίας Προβλήµατα Υψηλό Κόστος ιατήρηση της θερµοκρασίας σε χαµηλά επίπεδα (Τ<100 ο C)

Ηλεκτρονιακή Αγωγιµότητα Χηµική και Μηχανική Σταθερότητα Υψηλά Ποσοστά

12 ΑΝΑΤΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΨΕΛΙ ΑΣ Ηλεκτρόδια Ηλεκτρο-καταλύτες Ανόδου και Καθόδου Χαρακτηριστικά Υψηλή Ηλεκτρονιακή Αγωγιµότητα Υψηλή Καταλυτική ραστικότητα Χηµική Σταθερότητα Άνοδος Κράµα Pt µε κάποιο µέταλλο (Ru, Pd, W, Sn) σε φορέα C Κάθοδος Pt σε φορέα C Προβλήµατα Υψηλό Κόστος ηλητηρίαση Καταλύτη (CO, C CO <10ppm)

Χηµική Σταθερότητα Άνοδος Κράµα Pt µε κάποιο µέταλλο (Ru, Pd, W, Sn) σε φορέα

13 ΑΝΑΤΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΨΕΛΙ ΑΣ Συνδεσµολογία - ιπολικοί ίσκοι Ρόλος Συνδετικό στοιχείο της διάταξης Τµήµα τροφοδοσίας Χαρακτηριστικά Αντοχή και Ανθεκτικότητα Περιορισµένο Βάρος Ηλεκτρονιακή Αγωγιµότητα Συνήθη Υλικά ίσκων Γραφίτης ιάφορα Μέταλλα Σύνθετα Υλικά

Χαρακτηριστικά Αντοχή και Ανθεκτικότητα Περιορισµένο Βάρος

14 ΚΥΨΕΛΙ ΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΤΥΠΟΥ PEMFC Απλή Κυψελίδα Συστοιχία Oνοµαστική Ισχύς: 350W Oνοµαστική Ισχύς: 60kW (Αυτοκίνητο, σύνδεση 200 κυψελίδων)

15 ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΚΥΨΕΛΙ ΩΝ PEMFC Υδρογόνο Υγρά Καύσιµα Μεθανόλη Αιθανόλη Αιθυλική Γλυκόλη Προπανόλη ΑΙΘΑΝΟΛΗ Χαρακτηριστικά Ανανεώσιµη (ζύµωση βιοµάζας) Ευκολία Αποθήκευσης και Μεταφοράς Υψηλή Ενεργειακή Πυκνότητα (8.01 kwh/kg) Μικρή Τοξικότητα Ευκολία στη Χρήση Υψηλή Ηλεκτροχηµική ραστικότητα

βιοµάζας) Ευκολία Αποθήκευσης και Μεταφοράς Υψηλή Ενεργειακή Πυκνότητα

16 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ FC ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μικρός δείκτης ρύπανσης Υψηλές αποδόσεις Μικρός αριθµός κινητών τµηµάτων Μεγάλη διάρκεια ζωής Απουσία µηχανικών τµηµάτων Περιορισµένη συντήρηση Αµελητέα ηχορύπανση Παραγωγή πόσιµου νερού ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Υψηλό αρχικό κόστος Έλλειψη υποδοµής αποθήκευσης και µεταφοράς του καυσίµου Ανάγκη αναβάθµισης των ηλεκτροδίων

Περιορισµένη συντήρηση Αµελητέα ηχορύπανση Παραγωγή πόσιµου νερού ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Υψηλό

17 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι κυψέλες καυσίµου : Αποτελούν µια υψηλά υποσχόµενη νέα τεχνολογία Εµφανίζουν υψηλότερες αποδόσεις σε σχέση µε τασυµβατικά Συστήµατα Μετατροπής Ενέργειας (Θερµικές Μηχανές) Αποτελούν µια φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία Συνεισφέρουν στην αντιµετώπιση του ενεργειακού προβλήµατος

Συστήµατα Μετατροπής Ενέργειας (Θερµικές Μηχανές) Αποτελούν µια φιλική

Σχετικά έγγραφα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Κυψέλες καυσίμου με απευθείας τροφοδοσία φυσικού αερίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας: