ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕ ΤΙΤΛΟ : «ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ» ΚΟΚΚΙΝΟΥΛΗ ΝΙΚΟΛΕΤΑ, Χηµικός Μηχανικός, MSc
ΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΥΨΕΛΙ ΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 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
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)
ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (εκατοµµύρια τόνοι καυσίµου/χρόνο ) Επικράτηση των ορυκτών καυσίµων Άνθρακας, Πετρέλαιο, Φυσικό Αέριο Πηγή: IEA 2000
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
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
Απόδοση ενός Κελιού Καυσίµου: ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ n cell = nfe e HHV 40-60 % HHV: Θερµογόνος ύναµη του Καυσίµου 100 Aποδοση Κελιου Καυσιµου 80 Σύγκριση Απόδοσης Κελιού Καυσίµου και Θερµικής Μηχανής Απόδοση, % 60 40 20 ιεργασία Carnot T=50 o C 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 Θερµοκρασία, ο C
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 600-1000 C 500-700 C 150-220 C 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 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%
EΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΥΨΕΛΙ ΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
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 2 + 12H + + 12e - H 2 O e - e - H 2 O CO 2 Κάθοδος 3O 2 + 12H + +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
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)
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)
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
ΚΥΨΕΛΙ ΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΤΥΠΟΥ PEMFC Απλή Κυψελίδα Συστοιχία Oνοµαστική Ισχύς: 350W Oνοµαστική Ισχύς: 60kW (Αυτοκίνητο, σύνδεση 200 κυψελίδων)
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
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
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