JEDNOKOMOROWE
OGNIWA PALIWOWE
Jan Wyrwa
Katedra Chemii Analitycznej, Wydział
Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, AGH
Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
Światowe zapotrzebowanie na
energię-przewidywania
400
światowe zużycie energii
Różnica musi być wyrówna przez
300
alternatywne z
ródła energii
Lub: przez bardziej
200
wydajne technologie
pozyskiwania energii
dostępna energia
100
0
1900 2000 2100 2200 2300 2400
lata
Zużycie energii
w bilonach baryłek ropy/rok
Ogniwo paliwowe-zasada
działania.
" Urządzenie zmieniające energię
chemiczną paliwa oraz utleniacza na
energię elektryczną.
" Energia elektryczna jest wytwarzana bez
bezpośredniego spalania paliwa i
utleniacza, co pozwala na uniknięcie
emisji szkodliwych związków, m.in.
tlenków azotu, węglowodorów&
" Powstający ditlenek węgla jest
wykorzystywany w procesie katodowym
Zatruwanie atmosfery
Emisja do atmosfery w kg/1650 MWh,
y
R ÓDA
O SOx NOx CO Cząstki Związki CO2
stałe org.
Elektrowni 12,74 18,85 12,80 228 213 1 840
a
SOFC 0 0 32 0 0 846
Typy ogniw paliwowych
" Polimerowe (PEFC, SPFC, PEMFC)
" Alkaliczne (AFC)
" Fosforanowe (PAFC)
" Węglanowe (MCFC)
" Protonowe (PCFC)
" Stało-tlenkowe (SOFC)
" Jednokomorowe ogniwa paliwowe (SCFC, MGFC)
Ogniwa Paliwowe (porównanie)
Węglanowe Ogniwa Paliwowe
Molten Carbonate Fuel Cell- MCFC
Zalety: Nie wymaga drogich
elektro-katalizatorów, CO i CHx
mogą być obecne w paliwie, ciepło
odpadowe może być wykorzystane
Wady: Wysoka korozyjność
elektrolitu oraz wysoka
temperatura stwarza problemy
materiałowe oraz skraca czas
życia ogniwa, elektrolit wrażliwy
na związki siarki
Element baterii ogniwa
paliwowego.
SOFC
Tlenkowe Ogniwa Paliwowe
Solid Oxide Fuel Cell - SOFC
Zalety:
" Możliwości konstrukcyjne różnych kształtów (planarne, rurkowe, monolityczne).
" Użycie ceramicznych materiałów minimalizuje problemy korozji i ułatwia
rozwiązywanie problemów  TPB .
" Użycie elektrolitu stałego zapobiega jego  płynięciu i penetracji elektrod.
" Szybkości reakcji elektrodowych relatywnie wysokie.
" CO może być składnikiem paliwa.
" Nie ma ograniczeń z obecnością CO2 przy katodzie.
" Możliwości wykorzystania ciepła odpadowego.
" Materiały do konstrukcji relatywnie tanie.
Tlenkowe Ogniwa Paliwowe
Solid Oxide Fuel Cell - SOFC
Wady:
" Problemy z otrzymaniem elektrolitu stałego pozbawionego
porowatości otwartej
" Problemy z uszczelnieniem stosu
" Wysokie koszty przygotowania paliwa o pożądanej czystości
( np. Otrzymanie czystego H2 )
Ogniwo jednokomorowe-zasada
działania
Zalety jednokomorowego ogniwa
paliwowego.
" elektrolit może posiadać porowatość
otwartą i jest to jego zaleta a nie wada jak
w przypadku dwukomorowego ogniwa
tlenkowego.
" znika problem uszczelnienia stosu ogniw.
" gaz zasilający ma taki sam skład dla części
anodowej i katodowej.
Wady jednokomorowego ogniwa
paliwowego.
" niski stopień konwersji paliwa.
" w praktycznym zastosowaniu
powinno być elementem układu
hybrydowego,
np.ogniwo+wymiennik ciepła.
Ogniwo jednokomorowe-reakcje
elektrodowe
Krakowskie ogniwa paliwowe.
" Zakład Elektrochemicznego Utleniania Paliw
Gazowych, ICHF PAN prof.L.Suski
" Do roku 1990 jedyna placówka naukowa zajmująca się
tematyką ogniw paliwowych.
" 1975-1984
" Model laboratoryjnego ogniwa paliwowego z
elektrolitem węglanowym.
" Elektrolit  spiek MgO nasycony eutektyką LiNaCO3
" anoda -- spiek Ni-Ag.
" katoda -- spiek Ag
" I=40mA/cm2 90mA/cm2
Krakowskie ogniwa paliwowe
" 1984  1990
" Model laboratoryjnego ogniwa
paliwowego z elektrolitem
węglanowym.
" elektrolit  LiAlO2+LiNaCO3 ,
pastowy.
" anoda - spiek Ni-Ag dotowany
tlenkami metali Cr,Al,Mn,&
" katoda - spiek Ag ,NiO
" I=80mA/cm2 150mA/cm2
Krakowskie ogniwa paliwowe
" 1990 -2000
" Realizacja baterii ogniwa paliwowego o
docelowej mocy 1kW w oparciu o
elektrolit pastowy LiAlO2 o
wymiarach 150mm x 150mm.
" anoda - Ni
" katoda  LiMnO2
"
elektrody nanoszone na elektrolit metodą sitodruku.
Krakowskie ogniwa paliwowe
" 2000  2007
" ogniwo jednokomorowe z elektrolitem
tlenkowym.
" elektrolit  spiek ZrO2+Y2O3 ,
d=100�m
" anoda  cermet cerowo-niklowy
" katoda  perowskit Sm0.5Sr0.5CoO3
Ogniwo jednokomorowe-zasada
działania
Ogniwo jednokomorowe-zasada
działania
Ogniwo jednokomorowe-budowa
Ogniwo jednokomorowe-zasada
działania
Ogniwo jednokomorowe z porowatym
SE
Ogniwo jednokomorowe-efekt
odległości elektrod; stos ogniw
Ogniwo jednokomorowe-budowa
Dobór elektrolitu stałego
Redukcja
grubosci SE
Dobór elektrolitu stałego
Elektrolity stałe
PALIWA SCFC
może być:
" Mieszanina wodoru z tlenem - poza granicami
ich wybuchowości LEL i UEL:
LEL (Lower Explosive Limit)= H2/O2 =4.65%
UEL (Upper Explosive Limit) = H2/O2
=93.5%
" Mieszanina zawierająca węglowodory i tlen-
poza
granicami ich wybuchowości ( dla: CH4/O2
LEL=5.40 %, UEL=59.2 %)
ENERGIA SA
ONECZNA
<" 1 kW/ m2 <" 1000 MW/ km2
Foto-elektroliza wody -PEC
Fotokataliza
Paliwo do SOFC
Water Water Everywhere.
Jak daleka przyszłość?
Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki 25.01.2008