Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

MODELOWANIE OSIĄGÓW NISKOEMISYJNYCH OGNIW PALIWOWYCH ZA POMOCĄ MODELI

MATEMATYCZNYCH TYPU CFM.

Dr inż. Marcin LemańskiProf. dr hab. inż. Janusz BadurMgr inż. Paweł ZiółkowskiMgr inż. Sebastian Kornet

Instytut Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego PAN

Nałęczów, 20-22 luty 2013

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Plan prezentacji:

- Zasada działania,

- Schemat ogniwa,

- Reakcje chemiczne,

- Wyniki,

- Wnioski.

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys.1 Zasada działania ogniwa paliwowego SOFC [rysunek jest własnością firmy Siemens].

Zasada działania ogniwa

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 2. Schemat pojedynczej rurki ogniwa SOFC.

Schemat ogniwa

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Podstawowe reakcje chemiczne

,2

1222 OHOH

,3 224 COHOHCH

.222 COHOHCO

.Reakcji elektrochemicznej „zimnego spalania”:

Reakcja gazu wodnego:

Reakcja reformingu:

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Weryfikacja modelu

,2

1222 OHOH

,3 224 COHOHCH

.222 COHOHCO

.Reakcji elektrochemicznej „zimnego spalania”:

Reakcja gazu wodnego:

Reakcja reformingu:

Dla wszystkich obliczeń przyjęto wartości gęstości prądu granicznego io=0,67 A/cm2 i gęstości prądu wymiany il=0,20 A/cm2. Konsekwencją przyjęcia takich wartości do wszystkich symulacji mogą być

różnice pomiędzy wielkościami obliczonymi, a wynikami eksperymentu.

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 3. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hagiwara.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 4. Charakterystyka moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hagiwara

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 5. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hirano.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 6. Charakterystyka moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Hirano

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 7. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Tomlins.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 8. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Tomlins.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 9. Charakterystyka napięcie-gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Singhal.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 10. Charakterystyka moc- gęstość prądu - porównanie wyników obliczeń z eksperymentem wg Singhal.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 11. Charakterystyka sprawność elektryczna - gęstość prądu - obliczenia dla eksperymentu wg Singhal.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Rys. 12. Charakterystyka temperatura na wylocie z anody - gęstość prądu -obliczenia dla eksperymentu wg Singhal.

Wyniki

Instytut Maszyn Przepływowych PANZakład Konwersji Energii

Fiszera 14, 80-952 Gdańsk

Wnioski:

Zaproponowany model pod względem jakościowym i ilościowym w dobry sposób odzwierciedla skomplikowane procesy chemiczne i elektrochemiczne zachodzące w ogniwie.

Ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką sprawnością konwersji energii na poziomie około 50 % i znikomej emisji zanieczyszczeń.

Sprawność elektryczna może zostać dodatkowo zwiększona w wyniku zastosowania ogniw paliwowych typu SOFC z turbinami gazowymi w tzw. ciśnieniowych układ hybrydowych SOFC/GT (nawet do 60 %).

Z punktu widzenia termodynamicznego i ekologicznego ogniwa paliwowe SOFC są przyszłościową metodą produkcji energii.

Z drugiej strony wysokie koszty ekonomiczne i niska moc oferowanych układów oraz liczne problemy eksploatacyjne ograniczają ich zastosowanie jedynie do energetyki rozproszonej oferującej źródła energii elektrycznej dla urzędów, szpitali etc., o mocy do 1MWe.

Emisja dwutlenku węgla tego typu ogniw paliwowych jest około dwukrotnie niższa niż w przypadku spalenia go w tradycyjnym palniku gazowym.

Dziękuję za uwagę.