funktion och termodynamik Björn Wickman TIF190 Fysik för hållbar utveckling, 2009 Hur en bränslecell fungerar Termodynamik för bränsleceller:

Transkript

1 ll i ett hållbat samhälle funktion och temodynamik Du komme att läa dig: Vad en bänslecell ä Histoia och definitione i ett hållbat samhälle Hu en bänslecell fungea Fundamentala pincipe Paktiska tillämpninga Temodynamik fö bänslecelle: Entalpi (H) och Gibbs fia enegi (G) Revesibel cellspänning Vekningsgad 1

2 Vad ä en bänslecell? A Fuel Cell is a factoy that convets chemical enegy (fuel) to electicity (and heat) An example, the H -O fuel cell: H +½O H O Chemical Enegy Electical Enegy Utan föoeninga! i ett hållbat samhälle Deam scenaio: Renewable enegy souces (Sola, Wind etc.) Clean fuel poduction Easy distibution and stoage Clean, high efficiency enegy convesion Clean? Combustion engine + Matue technology + Low pice Low efficiency Battey + Vey high efficiency Low powe density Fuel Cell + High efficiency + High powe density High pice

3 H samhället Ett hållbat samhälle Fönyelseba enegikälla: Solljus Stat- och slutpodukt: Vatten Laging Effektiv enegiomvandling: Illustation av: Cal Hägglund Tillämpninga Potable:.1- W Light Tanspot: ~5 W Auxillay Powe Units: ~5 kw Stationay/Resedential: ~5 kw Heavy Tanspot: ~1 kw Stationay/Industial: ~1 MW 3

4 Bänslecellshistoia 1839 Si William R. Gove invents the Fuel Cell Alkaline Fuel Cells, used in NASA s Apollo space pogam Fist PEM Fuel Cell, used in the Gemini space pogam, Submaines etc. 199 Road test with Fuel Cell busses Lage technical impovements, many applications, pomising test, automotives, APU s, backup, potable powe, etc. Hu fungea bänslecellen? Buning of Hydogen: H + ½O H O (H = kj/mol) Q Combustion: 1. Molecules collide (H and O ). Bonds ae boken/fomed H-H and O-O bonds ae boken H-O bonds ae fomed Redistibution of electonic chage 3. Poduct is fomed Takes place on the ode of ps (1-1 ) Enegy diffeence is eleased as heat 4

5 H Elekticitet? H + ½O H O Fuel Cell pinciple: Sepaate eactants in space Half cell eactions: H H + + e - Anode eaction (oxidation)? ½O + H + + e - H O Cathode eaction (eduction) H Elekticitet?! Electons ae tanspoted fom Anode to Cathode though an extenal cicuit Electicity e - H H + + e - Anode eaction Electoly yte H + ½O + H + + e - H O Cathode eaction Potons ae tanspoted fom Anode to Cathode though an Electolyte - This is a Poton Exchange Membane Fuel Cell (PEMFC)! 5

6 PEMFC PEMFC eaction: H + ½O H O H e -+ H H H e - O H + H H e -+ O H O Anode: H H + + e - Cathode: ½O + H + + e - H O Sammanfattning H Elekticitet Genom att sepaea eaktantena ä det möjligt att utnyttja elektonena fån en eaktant t och låta dem utföa abete innan de ekombinea med den anda eaktanten och bilda podukten. 6

7 Anda type av bänslecelle Det finns flea olika type av bänslecelle: Typ av bänsle (H, alkohol, CH 4 ) Typ av laddningsbäae (H +, OH -, O -, CO - 3 ) Abetstempeatu (5-1 C) Mateial PEMFC Polyme Electolyte Kapacitet Fuel Cell PAFC Phosphoic Acid Fuel etc. Cell AFC Alkaline Fuel Cell MCFC Molten Cabonate Fuel Cell SOFC Solid Oxide Fuel Cell Temodynamik - definitione a) Q (väme) ä positiv om väme tillfös systemet W (abete) ä positiv om omgivningen utfö abete på systemet de int dq dw dq dw de int b) Q (väme) ä positiv om väme tillfös systemet W (abete) ä positiv om systemet utfö abete på omgivningen du dq dw dq dw du Ine enegi kallas hä: U (enhet J) 7

8 Temodynamik - definitione U Ine enegi (J) Q Väme (J) W Abete (J) S Entopi (J/K) T Tempeatu (K) V Volym(m 3 ) p Tyck (Pa) G Gibbs fia enegi (J) H Entalpi (J) W elec Elektiskt abete (J) Q c Laddning (C) E Elektisk potential (V) n Antal mol F Faadays konstant (C/mol) ŷ moläa stohete (x/mol) Entalpi - H Vid endast tyck-volymsabete, konstant T och p: dw pdv du dq pdv dq du pdv d( U pv ) dh Entalpi: H U pv dh du pdv Vdp Entalpi ä en användba stohet vid tillståndsföändinga som ske vid konstant tyck, t.ex. fasövegånga, kemiska eaktione och i öppna temodynamiska system. 8

9 Entalpi fö kemiska eaktione ν A A + ν B B eaktante ν P P + ν R R podukte ĥh f BildningsEntalpi: i l i Skillnaden i entalpi pe mol av ett ämne, jmf med dess beståndsdela (vid 5 C och 1 ba), slås oftast upp i tabelle. Ä tempeatubeoende. ReaktionsEntalpi: hˆ ˆ ˆ f hpod f heakt H H H Exotem eaktion (avge väme) Inget väme avges elle upptas Endotem eaktion (uppta väme) Gibbs fia enegi - G Vid evesibel pocess, uttag av abete, konstant T och p: dq TdS dw pdv dw ext du TdS pdv dw ext dw ext TdS du pdv dg Gibbs fia enegi: G U pv TS dg du pdv Vdp TdS SdT G kallas även fi entalpi. Begeppet fi indikea att det ä denna enegi som finns tillgänglig att göa abete. 9

10 Gibbs fia enegi fö kemiska eaktione G fö bildning av ämne: ν A A + ν B B eaktante f gˆ ν P P + ν R R podukte Skillnaden i Gibbs fia enegi pe mol av ett ämne, jmf med dess beståndsdela (vid 5 C och 1 ba), slås oftast upp i tabelle. Ä tempeatubeoende. G fö en eaktion: gˆ f gˆ pod f gˆ eakt G G G Spontan eaktion (åt höge) Ingen eaktion ske (jämvikt) Icke-spontan eaktion (eaktionen åt vänste ä spontan) Sammanfattning - tillståndsfunktione O'Haye Fuel Cell Fundamentals 1

11 Analys av en ideal bänslecell Reaktantena (H and O ) leveea enegi till systemet, Σn in H in Poduktena lämna systemet med en viss enegi, Σn ut H ut Skillnaden i entopi, H finns tillgänglig fö abete Vämet, Q FC måste das bot, och det evesibla (elektiska) abetet, W FC kan beäknas n j H j n i H i T FC, p W FC Q FC Gibbs fia enegi och den evesibla cellspänningen Vid evesibel pocess, uttag av elektiskt abete, konstant T och p: dq TdS dw pdv dw elec du TdS pdv dw elec Gibbs fia enegi: G U pv TS dg TdS pdv dwelec pdv Vdp TdS SdT dg dw elec Föändingen i Gibbs fia enegi ä lika med det maximala elektiska abetet som kan tas ut u bänslecellen 11

12 Gibbs fia enegi och den evesibla cellspänningen Elektiskt abete: I moläa stohete: Revesibel cellspänning: W elec Q E nfe gˆ nfe c g E nf ˆ H + ½O H O ˆ f g H 38.96kJ / mol f gˆ O 61.1kJ / mol ˆ f g H O 36.69kJ / mol 1

13 Gibbs fia enegi och den evesibla cellspänningen H + ½O H O 1 gˆ f gˆ H O f gˆ H f gˆ O 37.17kJ / mol ˆ g E 1. 3V nf Detta ä den evesibla cellspänngingen fö en H -O bänslecell! ll! Öve gäns fö evesibel potential i en PEMFC Bänslecellens vekningsgad Efficiency: what _ you _ get what _ you _ pay _ fo FC eaction: Enegy to do wok, Gibbs Fee Enegy ( kj/mol) Enegy eleased in the eaction, Enthalpy ( kj/mol) FC ˆ ˆ g o g {5 C,1ba} hˆ hˆ h.83 At oom tempeatue and pessue the maximal efficiency of the PEMFC is 83% 13

14 Fuel Cell vs. Canot FC Canot gˆ hˆ Typical PEMFC opeation (T= 8 C) gives 8% theoetical efficiency TO T T O R Typical ca engine opeation (T O = 4 C, T R = 5 C) gives 5% theoetical efficiency Efficiency, FC, liquid poduct FC, steam poduct Canot limit, 5 o C exhaust o Opeating Tempeatue [ C] The Real Fuel Cell Potential A H -O Fuel Cell unning at non standad conditions and < 1% H and O : Nenst equation: p p ½ RT H O Eeq E ln nf p H O Away fom Equilibium: E E eq E eq act ohm tanspot η Ovepotential o losses Typical voltage fom an opeating Fuel Cell is.7 V 14

15 Opeating Fuel Cell Potential E E eq E eq act ohm tans Activation losses: Kinetics and Electochemisty, Cathode, ORR 1. Activation egion Ideal Potential Ohmic egion Mass tanspot egion Activation losses Ohmic losses: Chage tanspot esistance, Poton conduction Cell Voltage [V].5 Ohmic losses Mass tanspot losses: Diffusion of eactants and poducts Opeating potential cuve Cuent Density [ma/ cm ] Mass tanspot losses Powe = Voltage Cuent The Fuel Cell Stack Many Fuel Cells ae connected in seies to fom a stack Fom the stack: Cuent depends on the total aea of all cells Voltage depends on the numbe of cells Powe = Cuent Voltage 15

16 Sammanfattning ä lovande system fö enegiomvandling i ett hållbat samhälle Hög vekningsgad Hög enegitäthet Inga föoeninga Med temodynamik kan vi analysea och föstå bänslecellen Ta fam de teoetiska möjlighetena och begänsningana Ta fam uttyck fö icke-ideala effekte Recommended Liteatue Fuel cell systems explained / James Lamine, Andew Dicks. nd edition (electonic vesion and had copy available fom Chalmes libay) Fuel Cell Fundamentals / Ryan O'Haye (had copy available fom Chalmes libay) 16