DEE Polttokennot ja vetyteknologia

Transkriptio

1 DEE Polttokennot ja vetyteknologa Polttokennon hävöt 1 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

2 Polttokennon tyhjäkäyntjännte Teoreettnen tyhjäkäyntjännte E z g F Todellnen kennojännte rppuu er hävölähtestä 1. Aktvonthävöt 2. uotovrtahävöt 3. Ohmset hävöt 4. Konsentraatohävöt 2 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

3 Aktvonthävöt Elektroden pnnalla tapahtuvat reaktot htata. Tafeln yhtälö etykäyttönen kenno: RT A 2 F varauksen srtokerron etyelektrod 0,5 Happelektrod Aln 0 0 srtymävrrantheys Metall 0 (A/cm 2 ) Pb 2.5 x Zn 3.0 x Ag 4.0 x 10-7 N 6.0 x 10-6 Pt 5.0 x 10-4 Pd 4.0 x Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

4 Aktvonthävöt (Cont.) PEM, AFC O2 4e 4H 2H2O (katod) Kun 0 suur vrran kulku esteettömämpää Yhdellä elektrodlla tapahtuva aktvontyljännte aheuttaa kennojänntteen aleneman 0 :n arvoa (rppuu elektrodsta) vodaan kasvattaa reaktopnta-alaa kasvattamalla E Aln 0 Tyypllsest:anod ma/cm 2 katod ma/cm 2 anodn yljännte vodaan jättää huomotta. 4 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

5 Aktvonthävö (Cont.) DMFC, SOFC E A a ln oa A c ln oc E Aln b A A A ; a c b A A oa a Ac A oc Aktvontyljännte on merkttävn hyötysuhdetta alentava tekjä matalan lämpötlan polttokennolla (esntyen pääasallsest katodlla) E Aln b 5 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

6 Aktvonthävöt (Cont.) Rppuvat srtymävrrantheydestä 0, jota pyrtään kasvattamaan. Nostetaan kennojen tomntalämpötlaa ( 0 ~ 0.1 ma/cm 2 (100 0 C); 0 ~ 100 ma/cm 2 (800 0 C) altaan tehokkaat katalyytt Lsätään elektroden reaktopnta-alaa Lsätään reaktantten konsentraatota (lman sjasta puhdas happ) Lsätää kennojen tomntapanetta 6 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

7 Avogadron lak Samossa lämpötlossa ja panessa yhtä suuret tlavuudet deaalkaasua ssältävät ana yhtä monta molekyylä ja ss yhtä monta moola. Kaklla deaalkaasulla yhden mooln tlavuus normaalolosuhtessa (p 0 = 1 atm, T 0 = 273 K) 0 = 22.4 ltraa (ns. mooltlavuus): 22.4 ltraa jokasta kaasua ssältää normaalolosuhtessa 6.02 x molekyylä Avogadron luku 7 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

8 uotovrtahävöt Osa vedystä dffuntotuu anodlta suoraan elektrolyytn läp lman että syntyy sähkövrtaa. Polttoaneen ylvuoto (fuel crossover) Polttoaneen ylvuodosta aheutuva hävöta mallnnetaan kennojänntettä alentaven polttokennon ssästen vrtojen avulla. E Aln 0 n 8 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

9 Esmerkk PEM-kennossa on mtattu tyhjäkäynttlanteessa reagoven kaasujen kulutusta A kenno 10 cm 2 m H cm 3 / s Analyso kennon vuotovrtahävötä. 9 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

10 Ohmset hävöt - Elektroden resstanss - rtauslevyt - Elektrolyytt = r Hävöden penetämnen - Elektrodelle hyvä sähkönjohtavuus - rtauslevyjen materaalvalnta - Ohutkerroksnen elektrolyytt 10 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

11 Konsentraatohävöt edyn osapaneen muutos kennojänntteeseen Nernst RT P ln 2F P 2 1 Kun paneen muutos lneaarnen P 2 P vrrantheys, kun polttoane hyödynnetään maksmaalsest (P = 0) P 1 pane, jolla vrrantheys on nolla 11 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

12 Konsentraatohävöt (Cont.) Kennojänntteen alenema Ylesest Bln 1 1 RT 2 F ln 1 1 ana B rppuu polttokennotyypstä ja tomntaolosuhtesta 1 Konsentraatohävöt merkttävä: - edyn reformonnn yhteydessä - Käytettäessä hapen sjasta lmaa 12 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

13 Polttokennon tomntajännte E n r Aln 0 n Bln 1 1 n E = kennon reversbel tyhjäkäyntjännte n = kennon vuotovrtahävötä mallntama ssänen vrrantheys A = aktvonthävötä karaktersova vako o = kennon srtymävrrantheys B = konsentraatohävötä kuvaava vako 1 = vrrantheys, jollon polttoane hyödynnetään maksmaalsest r = ohmsa hävötä kuvaava omnasresstanss 13 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen

14 Kennon tomntajännte (Cont.) Suure PEM SOFC E () n (ma/cm 2 ) 2 2 r (k cm 2 ) 30 x x (ma/cm 2 ) A () B () (ma/cm 2 ) Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen