Hybridní pohony Měniče a nosiče energie
Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc. ČVUT FEL Praha
1
Hybridní pohony Obsah •Měniče energie pracující na principu palivových článků •Fyzikální princip palivových článků •Pracovní média palivových článků •Účinnost přeměny energie palivovými články •Současná provedení palivových článků •Metody transformace klasických i alternativních paliv pro použití v palivových článcích •Současné a výhledové vlastnosti hybridních a elektrických vozidel
2
Měniče energie pracující na principu palivových článků Palivový článek – kontinuálně pracující měnič chemické energie vstupních reakčních látek na elektrickou energii. Princip činnosti založen na rozdílných schopnostech iontů a elektronů reakčních látek pronikat potenciálovou bariérou separační vrstvy mezi anodou a katodou palivového článku. Pracovní elektrody palivového článku (anoda, katoda) působí jako sběrače elektrického náboje a katalyzátory chemických reakcí, avšak jejich průběhu se nezúčastňují. Proto nedochází provozem článku k jejich výraznější degradaci.
3
Měniče energie pracující na principu palivových článků Palivové články se dělí především podle typu elektrolytu. V současné době existuje následujících pět systémů: • • • • •
alkalické články (AFC-Alkaline Fuel Cells), v nichž je elektrolytem zpravidla zředěný hydroxid draselný KOH články s tuhými polymery (PEFC - Proton Exchange Fuel Cells), elektrolytem je tuhý organický polymer články s kyselinou fosforečnou (PAFC – Phosporic Acid Fuel Cells), jejichž elektrolytem je kyselina fosforečná články s roztavenými uhličitany (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cells), v nichž je elektrolytem směs roztavených uhličitanů články s tuhými oxidy (SOFC – Solid Oxide Fuel Cells), elektrolytem jsou oxidy vybraných kovů
4
Měniče energie pracující na principu palivových článků Chemické reakce v kyselém a zásaditém elektrolytu palivového článku Kyselý elektrolyt
5
Měniče energie pracující na principu palivových článků Uspořádání palivového článku s polymerovou membránou
Základní chemické reakce v palivovém článku se zásaditým elektrolytem
6
Měniče energie pracující na principu palivových článků Přehled reagentů a pracovních teplot základních druhů palivových článků
7
Měniče energie pracující na principu palivových článků Provedení elektrod a membrány palivového článku polymer-elektrolyt
8
Měniče energie pracující na principu palivových článků SESTAVA PEFC palivových článků se systémem kanálků pro rozvod reakčních plynů vodíku a kyslíku
9
Měniče energie pracující na principu palivových článků Možné koncepce palivových článků pro vozidla
10
Měniče energie pracující na principu palivových článků Přímomethanolový palivový článek
Chemické reakce
11
Měniče energie pracující na principu palivových článků
Výstupní napětí palivového článku v závislosti na proudové hustotě elektrod Typické provozní napětí Up = 0,5 – 0,85 V Hustota proudu 1 A/cm2
Závislost účinnosti palivového článku na zatížení
12
Měniče energie pracující na principu palivových článků Zásobníky paliva pro palivové články Použitelné druhy paliv: čistý vodík, methanol Problémy se skladováním a tankováním vodíku: Vysoce komprimovaný v plynné fázi - tlak 34,5 MPa kapalný při velmi nízkých teplotách 20K (-253 °C) vázaný v metalhydridech za pokojové teploty
Skladování methanolu: v tekutém stavu při normálních teplotách vysoce toxický nutnost reformace na čistý vodík
13
Měniče energie pracující na principu palivových článků
Nádrž na kapalný vodík firmy LINDE
14
Měniče energie pracující na principu palivových článků Zásobník metalhydridu Při ukládání vodíku do slitiny probíhá exotermická reakce proto musí být zásobník chlazen Při odčerpávání je potřebné uvolňovací teplo. Zařízení má vysokou hmotnost
Pracovní parametry různých metalhydridových zásobníků
15
Měniče energie pracující na principu palivových článků
Vlastnosti hydridů vhodných pro použití ve vozidlech s palivovými články
16
Měniče energie pracující na principu palivových článků
Dojezd vozidla s různými typy zásobníku paliva
17
Měniče energie pracující na principu palivových článků
Sestava palivového článku napájeného z vodíkové nádrže s obslužným zařízením
18
Měniče energie pracující na principu palivových článků
Blokové schéma hybridního pohonu s PEFC a reformérem methanolu na vodík
19
Měniče energie pracující na principu palivových článků
Předpokládaný vývojový trend palivových článků s výkonovou úrovní 50 kW pro použití ve vozidlech
Reformer a katalytický hořák
20
Výroba paliv pro palivové články Využití energie vozidla na palivové články (bez použití reformeru)
21
Výroba paliv pro palivové články
Předpokládaný vývoj účinnosti využití energie paliva ve vozidle se spalovacím motorem a palivovým článkem od nádrže na kola
22
Výroba paliv pro palivové články Výroba methanolu katalytickou přeměnou zemního plynu (využití unikajících plynů při těžbě ropy)
Při těžbě ropy celosvětově uniká 100 milionů m3 zemního plynu denně, z něhož by se dalo vyrobit 300 000 tun methanolu. Ze 2,5 kg biomasy lze získat 1 kg methanolu.
23
Výroba paliv pro palivové články Schéma výroby vodíku parní reformací s využitím tepelné energie jaderného reaktoru (neelektrolytický postup)
24
Výroba paliv pro palivové články Výroba vodíku Elektrolýzou vody (problém oddělení H2 a O2) Termochemickým cyklem
25
Výroba paliv pro palivové články Výroba vodíku Elektrolýzou vody (problém oddělení H2 a O2) Termochemickým cyklem
26
Hybridní automobily Jízdní kolo s přídavným pohonem palivovým článkem (vodíkový) a elektromotorem Na cca 0,5 l H2 dojezd 250 km Přídavný akumulátor NiMH
27
Hybridní automobily
28
Hybridní automobily Topologie hybridního pohonu se spalovacím motorem a palivovým článkem
29
Hybridní automobily Účinnosti různých koncepcí hybridního pohonu
30
Hybridní automobily Použitá literatura /1/ Cenek,M a kol.: Akumulátory – od principu k praxi FCC Public, 2003 /2/ Kameš, J: Alternativní pohony automobilů BEN-Technická literatura, Praha 2004 /3/ Vlk,F.: Alternativní pohony motorových vozidel Nakladatelství a vydavatelství F.Vlk, Brno 2004 /4/ Scientist American – speciální číslo leden-únor 2007 Energie budoucnosti /5/ Olah,J.: Aplikační možnosti superkondenzátorové baterie na trakčním vozidle Semestrální práce ČVUT FEL 2006
31
