DEE-54020 Polttokennot ja vetyteknologa Polttokennon hävöt 1 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen
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
Aktvonthävöt Elektroden pnnalla tapahtuvat reaktot htata. Tafeln yhtälö etykäyttönen kenno: RT A 2 F varauksen srtokerron etyelektrod 0,5 Happelektrod 0.1 0.5 Aln 0 0 srtymävrrantheys Metall 0 (A/cm 2 ) Pb 2.5 x 10-13 Zn 3.0 x 10-11 Ag 4.0 x 10-7 N 6.0 x 10-6 Pt 5.0 x 10-4 Pd 4.0 x 10-3 3 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen
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 0 200 ma/cm 2 katod 0 0.1 ma/cm 2 anodn yljännte vodaan jättää huomotta. 4 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen
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
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
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 10 23 molekyylä Avogadron luku 7 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen
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
Esmerkk PEM-kennossa on mtattu tyhjäkäynttlanteessa reagoven kaasujen kulutusta A kenno 10 cm 2 m H 2 0.0031 cm 3 / s Analyso kennon vuotovrtahävötä. 9 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen
Ohmset hävöt - Elektroden resstanss - rtauslevyt - Elektrolyytt = r Hävöden penetämnen - Elektrodelle hyvä sähkönjohtavuus - rtauslevyjen materaalvalnta - Ohutkerroksnen elektrolyytt 10 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen
Konsentraatohävöt edyn osapaneen muutos kennojänntteeseen Nernst RT P ln 2F P 2 1 Kun paneen muutos lneaarnen P 2 P1 1 1 1 vrrantheys, kun polttoane hyödynnetään maksmaalsest (P = 0) P 1 pane, jolla vrrantheys on nolla 11 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen
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
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
Kennon tomntajännte (Cont.) Suure PEM SOFC E () 1.2 1.0 n (ma/cm 2 ) 2 2 r (k cm 2 ) 30 x 10-6 300 x 10-6 0 (ma/cm 2 ) 0.067 300 A () 0.06 0.03 B () 0.05 0.08 1 (ma/cm 2 ) 900 900 14 Polttokennot ja vetyteknologa Rsto Mkkonen