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

Relevanta dokument
TK051B Bt2 (Högskoleingenjör i Bioteknik, Åk 2) eller motsvarande

TK051B Bt2 (Högskoleingenjör i Bioteknik, Åk 2) eller motsvarande

Provmoment Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen TK051B Bt2 (Högskoleingenjör i Bioteknik, Åk 2) eller motsvarande. TentamensKod:

Provmoment Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen TK051B Bt2 (Högskoleingenjör i Bioteknik, Åk 2) eller motsvarande. TentamensKod:

TK051B Bt2 (Högskoleingenjör i Bioteknik, Åk 2) eller motsvarande

Tentamen i Energilagringsteknik 7,5 hp

21. Boltzmanngasens fria energi

För att bestämma virialkoefficienterna måste man först beräkna gasens partitionsfunktion då. ɛ k : gasens energitillstånd.

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Magnetiskt fält kring strömförande ledare Kraften på en av de två ledarna ges av

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

Kemi och energi. Exoterma och endoterma reaktioner

Jan-Erik Svensson. Energi och material Institutionen för Kemi och Kemiteknik Chalmers tekniska högskola

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Övningstentamen i KFK080 för B

Lösningar till tentamen i tillämpad kärnkemi den 10 mars 1998 kl

Fö. 3: Ytspänning och Vätning. Kap. 2. Gränsytor mellan: vätska gas fast fas vätska fast fas gas (mer i Fö7) fast fas fast fas (vätska vätska)

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Boverket. Energideklarat LL_. IOfl DekLid: Byggnadens ägare - Kontaktuppgifter. Byggnadens ägare - Övriga

Två system, bägge enskilt i termisk jämvikt med en tredje, är i jämvikt sinsemellan

Luftvärmare, kylprodukter och högtemperatur processkylaggregat - Förordning 2016/2281 Branschmöte 15 februari 2018 Carlos Lopes, Lina Kinning

Bränslecellsforskning från en materialtillverkares synvinkel

Chapter 8 Convective Duct Flow

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Företagens ekonomi Tillbakaräkning i SNI2007 NV0109

Kap Kemisk Termodynamik

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

Why Steam Engine again??

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

PowerCell Sweden AB. Ren och effektiv energi överallt där den behövs

Föreläsning 5. Linjära dielektrikum (Kap. 4.4) Elektrostatisk energi (återbesök) (Kap ) Motsvarar avsnitten 4.4, , 8.1.

Termodynamik. Läran om energi och dess egenskaper

Värt att memorera:e-fältet från en punktladdning

Module 6: Integrals and applications

Kap 6: Termokemi. Energi:

7 Elektricitet. Laddning

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

Termodynamik FL4. 1:a HS ENERGIBALANS VÄRMEKAPACITET IDEALA GASER ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM

Storhet SI enhet Kortversion. Längd 1 meter 1 m

Country report: Sweden

Tentamen i kemisk termodynamik den 12 juni 2012 kl till (Salarna L41, L51 och L52)

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

1. a) Förklara, genom användning av något lämpligt kemiskt argument, varför H 2 SeO 4 är en starkare syra än H 2 SeO 3.

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Den geocentriska världsbilden

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Solenergi. Clearline. en introduktion. Solenergi. Solenergi En introduktion (v1.0) Warm-Ec Scandinavia AB Box Arvika

Den enkla standardkretsen. Föreläsning 2. Exempel: ugn. Av/på-reglering. PID-reglering Processmodeller. r e u y

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Kapitel 6. Termokemi

Elektrokemi. KEMA02 VT2012, Kemiska Institutionen LU /KEBergquist F9

Laboration 2, Materials Termodynamik

Sterilisering. Desinfektionsmedel. Joniserande. Torrvärme. Ånga. - Djupfilter. - Strålning - Tryck. Endosporer (Bacillus, Clostridium, m.fl.

Termodynamik Föreläsning 7 Entropi

ing. Hösten 2013 konsoliderades även en del nya flöden in till Göteborg. Flytten av delar av lagerverksamheten

From A CHORUS LINE. For SATB* and Piano with Optional Instrumental Accompaniment. Duration: ca. 2: 15 AKT TVÅ! ... I El>maj7 A

Meddelande. Föreläsning 2.5. Repetition Lv 1-4. Kemiska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt 2012

PTG 2015 övning 1. Problem 1

Temperaturmätning med resistansgivare

1(5) & nt s. MrLJösÄKRtNG INNENALLER. MILJöPOLICY. och. ARBETSMILJöPOLIGY. K:\Mallar

Förbättringar av livslängden av fastoxidbränsleceller-apu för tunga fordons applikationer (Improving Lifetime Performance of SOFC for Truck APUs)

BILDFYSIK. Laborationsinstruktioner LABORATIONSINSTRUKTIONER. Fysik för D INNEHÅLL. Laborationsregler sid 3. Experimentell metodik sid 5

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

Indikatorer för utvecklingen av de Europeiska energisystemen

aa + bb cc + dd gäller Q = a c d

ll Frakka ab - vårt arbete i programmet Energivision (2 rapporter per ED) Energideklarationsarbetet HSB:s Brf Kuberna i Stockholm Stockholm

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

Bränsleceller. Av: Simon Marklund EE1a Kaplanskolan Skellefteå

Specifik ångbildningsentalpi (kj/kg) p. (bar)

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Innovation, nyttiggörande och samverkan

PFC and EMI filtering

jämvikt (där båda faserna samexisterar)? Härled Clapeyrons ekvation utgående från sambandet

2 S. 1. ˆn E 1 ˆn E 2 = 0 (tangentialkomponenten av den elektriska fältstyrkan är alltid kontinuerlig)

Fordonsindustrins framtida utmaningar: Batterianvändning ur ett fordonsperspektiv. Göran Lindbergh, KTH och SHC Batterifondsprogrammet, 6 april 2016

Nenet Norrbottens energikontor. Kjell Skogsberg

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i Kemisk termodynamik kl 14-19

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Kapitel 6. Termokemi

TENTAMEN I FYSIK. HF0022 Fysik för basår I TENA / TEN1, 7,5 hp Tekniskt basår/bastermin TBASA Svante Granqvist, Niclas Hjelm, Staffan Linnæus

Lignin i pulverpannor

Gravitation och planetrörelse: Keplers 3 lagar

Energiuppgifter. 2. Har reaktanterna (de reagerande ämnena) eller reaktionsprodukterna störst entalpi vid en exoterm reaktion? O (s) H 2.

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Vad menas med att mäta biopotentialer. Bioelektriska signaler. Sammanfattning I. Sammanfattning I. Vilka är de?

12.6 Heat equation, Wave equation

A.Uppgifter om stödmottagare. B.Uppgifter om kontaktpersonen. C.Sammanfattning av projektet. C.1.Projektet genomfördes under perioden

Kartläggning av brandrisker

Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p)

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Kapitel Kapitel 12. Repetition inför delförhör 2. Kemisk kinetik. 2BrNO 2NO + Br 2

Flervariabelanalys I2 Vintern Översikt föreläsningar läsvecka 3

Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 26/

Repetition F12. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Leading the way towards truly sustainable shipping. Carl Fagergren Project Manager Ship design & Newbuilding 1

Vad tror du ökning av entropi innebär från ett tekniskt perspektiv?

Transkript:

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