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
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
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
Bänslecellshistoia 1839 Si William R. Gove invents the Fuel Cell 193-6 Alkaline Fuel Cells, used in NASA s Apollo space pogam 196-9 Fist PEM Fuel Cell, used in the Gemini space pogam, Submaines etc. 199 Road test with Fuel Cell busses 199-9 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 = -85.8 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 (-37.17 kj/mol) Enegy eleased in the eaction, Enthalpy (-85.83 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
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, 1.9.8.7.6.5.4.3 FC, liquid poduct FC, steam poduct Canot limit, 5 o C exhaust. 4 6 8 1 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
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
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