vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE-54020 Risto Mikkonen"

Tuulikki Hänninen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 DEE-5400 olttokennot ja vetyteknologia olttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE-5400 Risto Mikkonen

2 g:n määrittäminen olttokennon toiminta perustuu Gibbsin vapaan energian muutokseen. ( G = TS) Ideaalitapauksessa koko Gibbsin energia muuttuu sähköksi. Kennon reversiibeli tyhjäkäynjännite Case: Tarkastele Gibbsin vapaan energian muutosta EM-kennon yhteydessä. DEE-5400 Risto Mikkonen

( G = TS) Ideaalitapauksessa koko Gibbsin energia muuttuu sähköksi.

3 g:n määrittäminen (EM -kenno) DEE-5400 Risto Mikkonen 3 Koko reaktio e Katodi e Anodi 1 : 4 4 : 4 4 : ( kohti) moolia T s h g s T h g Muutos missä 1 1 s s s s h h h h

4 Tilasuureet - differentiaalimuodot du = T ds dv d = T ds + V d dg = - S dt + V d da = - S dt dv 4 DEE-5400 Risto Mikkonen

5 Molaarinen lämpökapasiteetti C p DEE-5400 Risto Mikkonen : : : T T T C T T T C T T T C p p p

6 Avogadron luku Yksi mooli mitä tahansa ainetta sisältää aina saman määrän molekyylejä 6.0 x 10 3 ( = N ) Yksi mooli elektroneja käsittää siis N kpl elektroneja Kokonaisvaraus siis N x e (e = 1.60 x C) Faraday n vakio F = N x e C 6 DEE-5400 Risto Mikkonen

7 Reversiibeli tyhjäkäyntijännite Fosforihappokenno: Kaksi elektronia kulkeutuu ulkoisen (T op = 00 0 C) piirin kautta yhtä tuotettua vesimolekyyliä ja yhtä vetymolekyyliä kohti. Kokonaisvaraus: - x N x e = - x F Siis: Tehty työ = varaus x jännite = - x F x e = g g 0000 J E 1. 14V F C 7 DEE-5400 Risto Mikkonen

8 Reversiibeli tyhjäkäyntijännite (Cont.) Yleisesti E g z F z: siirrettyjen elektronien lukumäärä jokaista polttoainemolekyyliä kohti arjoitus: Määritä suoran metanolipolttokennon reversiibeli tyhjäkäyntijännite. 8 DEE-5400 Risto Mikkonen

jokaista polttoainemolekyyliä kohti arjoitus: Määritä suoran

9 olttokennon hyötysuhde tuotettu sähköenergia Gibbsin vapaan energian muutos polttoainemolekyylin tuottama h sähköenergia g max 100 % h Termodynaaminen hyötysuhde 9 DEE-5400 Risto Mikkonen

10 olttokennon hyötysuhde (Cont.) Mikäli vedyn koko energia (entalpian muutos) voidaan muuttaa sähköksi: E h F 1.48V ( V ) Vc 100 % 1.48 f Vc 100 % 1.48 V : vedyn ylempi lämpöarvo (reaktiossa syntynyt vesi nesteenä) LV : vedyn alempi lämpöarvo (reaktiossa syntynyt vesi kaasuna) V c todellinen kennojännite f reagoineen ja sisäänsyötetyn polttoainemäärän suhde 10 DEE-5400 Risto Mikkonen

11 G = G (T,, c) j J + k K m M Ideaalikaasulle aktiivisuus 0 0 = 0.1 Ma g g 0 RT ln a j J a a k K m M R yleinen kaasuvakio = J / mol K 11 DEE-5400 Risto Mikkonen

12 erusreaktioyhtälö DEE-5400 Risto Mikkonen 1 1 a a a RT g g 1 0 ln E a a a F RT F g E ln Nernstin yhtälö

13 Nernstin yhtälö DEE-5400 Risto Mikkonen ; ; a a a ln F RT E E

14 Nernstin yhtälö (Cont.) DEE-5400 Risto Mikkonen 14 Kun prosessin paineet yksikössä bar 0 = 1 F RT E E 1 0 ln

15 Nernstin yhtälö (Cont.) olttokennon reaktioissa olevat kaasut ovat usein jonkinlaisia seoksia (katodille ilmaa, anodilla vedyn seassa hiilidioksidia) ; ; 15 E on prosessipaine RT E ln F DEE-5400 Risto Mikkonen

16 Nernstin yhtälö (Cont.) E E 0 RT F ln 1 RT 4 F ln ( ) 16 DEE-5400 Risto Mikkonen

17 arjoitus Tarkastele a) systeemin paineen b) vedyn osapaineen c) hapen osapaineen vaikutusta kennon tyhjäkäyntijännitteeseen 17 DEE-5400 Risto Mikkonen

18 Esimerkki Tarkastellaan polttokennon anodilla ja katodilla tapahtuvia seuraavia reaktioita C 5 C 3 C e 1 e Mistä sovellutuksesta on kysymys? 18 DEE-5400 Risto Mikkonen

19 19 DEE-5400 Risto Mikkonen

20 DEE-5400 olttokennot ja vetyteknologia olttokennon häviöt 0 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

21 olttokennon tyhjäkäyntijännite Teoreettinen tyhjäkäyntijännite E g z F Todellinen kennojännite riippuu eri häviölähteistä 1. Aktivointihäviöt. Vuotovirtahäviöt 3. hmiset häviöt 4. Konsentraatiohäviöt 1 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

22 Aktivointihäviöt Elektrodien pinnalla tapahtuvat reaktiot hitaita. Tafelin yhtälö V Vetykäyttöinen kenno: A RT F varauksen siirtokerroin Vetyelektrodi 0,5 appielektrodi i Aln i 0 i 0 siirtymävirrantiheys Metalli i 0 (A/cm ) b.5 x Zn 3.0 x Ag 4.0 x 10-7 Ni 6.0 x 10-6 t 5.0 x 10-4 d 4.0 x 10-3 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

23 Aktivointihäviöt (Cont.) Riippuvat siirtymävirrantiheydestä i 0, jota pyritään kasvattamaan. Nostetaan kennojen toimintalämpötilaa (i 0 ~ 0.1 ma/cm (100 0 C); i 0 ~ 100 ma/cm (800 0 C) Valitaan tehokkaat katalyytit Lisätään elektrodien reaktiopinta-alaa Lisätään reaktanttien konsentraatiota (ilman sijasta puhdas happi) Lisätää kennojen toimintapainetta 3 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

24 Avogadron laki Samoissa lämpötiloissa ja paineissa yhtä suuret tilavuudet ideaalikaasua sisältävät aina yhtä monta molekyyliä ja siis yhtä monta moolia. Kaikilla ideaalikaasuilla yhden moolin tilavuus normaaliolosuhteissa (p 0 = 1 atm, T 0 = 73 K) V 0 =.4 litraa (ns. moolitilavuus):.4 litraa jokaista kaasua sisältää normaaliolosuhteissa 6.0 x 10 3 molekyyliä Avogadron luku 4 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

25 Vuotovirtahäviöt sa vedystä diffuntoituu anodilta suoraan elektrolyytin läpi ilman että syntyy sähkövirtaa. olttoaineen ylivuoto (fuel crossover) olttoaineen ylivuodosta aiheutuvia häviöita mallinnetaan kennojännitettä alentavien polttokennon sisäisten virtojen avulla. V E i i Aln i0 n 5 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

26 Esimerkki EM-kennossa on mitattu tyhjäkäyntitilanteessa reagoivien kaasujen kulutusta A m kenno 10 cm cm 3 / s Analysoi kennon vuotovirtahäviöitä. 6 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

27 hmiset häviöt - Elektrodien resistanssi - Virtauslevyt - Elektrolyytti V = i r äviöiden pienentäminen - Elektrodeille hyvä sähkönjohtavuus -Virtauslevyjen materiaalivalinta - hutkerroksinen elektrolyytti 7 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

28 Konsentraatiohäviöt Vedyn osapaineen muutos kennojännitteeseen Nernst V RT ln F 1 Kun paineen muutos lineaarinen i 1 1 i 1 i 1 virrantiheys, kun polttoaine hyödynnetään maksimaalisesti ( = 0) 1 paine, jolla virrantiheys on nolla 8 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

29 Konsentraatiohäviöt (Cont.) Kennojännitteen alenema Yleisesti V Bln1 i1 V Konsentraatiohäviöt merkittäviä: - Vedyn reformoinnin yhteydessä - Käytettäessä hapen sijasta ilmaa i RT F i ln1 i1 aina 1 B riippuu polttokennotyypistä ja toimintaolosuhteista 9 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

30 olttokennon toimintajännite V E i i i i r Aln n Bln 1 n n i i 0 1 i i E = kennon reversiibeli tyhjäkäyntijännite i n = kennon vuotovirtahäviöitä mallintama sisäinen virrantiheys A = aktivointihäviöitä karakterisoiva vakio i o = kennon siirtymävirrantiheys B = konsentraatiohäviöitä kuvaava vakio i 1 = virrantiheys, jolloin polttoaine hyödynnetään maksimaalisesti r = ohmisia häviöitä kuvaava ominaisresistanssi 30 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

31 Kennon toimintajännite (Cont.) Suure EM SFC E (V) i n (ma/cm ) r (kcm ) 30 x x 10-6 i 0 (ma/cm ) A (V) B (V) i 1 (ma/cm ) olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

32 Kiinteä polymeerikenno (EM) Ns. matalan lämpötilan kenno nopea käyttöönotto a-e-k rakenne ohut kompakti, pienikokoinen rakenne Ei korroosiota aiheuttavia nesteitä Laaja sovellutusten kirjo ajoneuvot, työkoneet, mobile, C Katalyyttinä platina: 8 mg/cm 0. mg/cm Kennon virrantiheys > 1 A/cm 3 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

33 EM / Elektrolyytti Etyleeni polyetyleeni (keinotekoinen polymeeri) olytetrafluorietyleeni (vetyatomi korvattu fluorilla), TFE Kemiallisesti stabiili ylkii tehokkaasti vettä (kennon vesitasapaino!) Sulfonointi (S 3 ) - Imee tehokkaasti vettä (kennon vesitasapaino) Kemiallisesti stabiili, mekaanisesti kestävä (ohutkalvorakenne), hylkii + imee vettä, + liikkuvat esteettä 33 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

34 EM-kennon vesitasapaino EM-kennon katodilla syntyy vettä diffuntoituu ohuen elektrolyytin kautta myös anodille. ngelmia: Anodi-puoli kuivuu + ionien kulkeutuessa elektrolyytin kautta katodille Jos T op kasvaa, katodille ouhallettava ilma kuivattaa elektrolyyttiä Elektrolyytissä vesi jakautuu epätasaisesti IKEAN VESITASAAINN AIKAANSAAMINEN N LTTKENNSSA VAIKEAA 34 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

35 Kennon vesitasapaino (Cont.) Kennoon syötettävän oikean ilmamääräm määrittäminen vaikeaa, koska kuivumisilmiö on epälineaarinen lämpötilan funktio. Absoluuttinen kosteus m m w a m w veden massa m a kuivan ilman massa Suhteellinen kosteus w sat w veden osapaine sat veden kylläinen höyrynpaine Kennon kuivuminen ~ w - sat 35 olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

36 Kennon vesitasapaino (Cont.) T ( 0 C) sat (ka) olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen.1.014

37 Kennon vesitasapaino (Cont.) olttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen / ) (3.57 / x x x x m m s kg V x x x x m s kg V x x m a w c e out c e

Samankaltaiset tiedostot

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen DEE-5400 olttokennot ja vetyteknologia olttokennon termodynamiikkaa 1 DEE-5400 Risto Mikkonen ermodynamiikan ensimmäinen pääsääntö aseraja Ympäristö asetila Q W Suljettuun systeemiin tuotu lämpö + systeemiin