Thesis for degree: Licentiate of Engineering

More documents

Recommendations

Info

Populärvetenskaplig beskrivning på svenska Bränsleceller kan bidra till ett mer hållbart och miljövänligt samhälle ur ett energiutvinningsperspektiv genom hög energieffektivitet och väldigt låga utsläpp av koldioxid, kväveoxider och hälsoskadliga partiklar. Bränsleceller, speciellt vissa högtemperaturceller, kan arbeta med en rad olika bränslen förutom väte. I den här studien har både naturgas och väte använts som bränsle men andra kompatibla kandidater är etanol, metanol, biogas, och ammoniak. För att det skall leda till en mer miljövänlig energiproduktion måste bränslena tas fram på ett miljövänligt vis. Det var först omkring 1950 när bränsleceller användes som en kraftkälla i rymdraketer, som de blev mer allmänt kända och kompletta bränslecellssystem konstruerades. Bränslecellernas utveckling har tagit fart bland annat för att energipriserna ständigt ökar och likaså oron kring växthuseffektens påverkan på jordens klimat. Det är nu möjligt att tillämpa bränsleceller i en rad olika system i olika storlekar från mobiltelefoner till stora kraftverk med olika bränslen. Eftersom de kan byggas i olika storlekar, har bränsleceller en stor potential inom flera områden. De största hindren för en kommersialisering i stor skala är den höga tillverkningskostnaden, korta livslängden och avsaknaden av en funktionell infrastruktur för vätgas och biogas/naturgas. Uppbyggnad av en bränslecell Det finns olika typer av bränsleceller med olika kemiska processer och material. För att beskriva en typ av bränslecell; fastoxidbränslecellen som används i den här studien, väljs den med väte som bränsle i det här fallet. I en sådan bränslecell reagerar syre och väte med varandra och bildar vatten. En bränslecell är uppbyggd av en anod, en katod och en elektrolyt. En anod är den del i en elektrolytisk cell som är förbunden med strömkällans positiva pol, och katoden är sammanbunden med dess negativa pol. Det gasformiga bränslet transporteras till anoden där det reagerar i elektrokemiska reaktioner med syrejoner. Syrejonerna produceras i katoden där syre reagerar med elektroner till jonform. Syrejonerna transporteras igenom elektrolyten för att nå bränslet i anoden. Elektronerna släpps inte igenom elektrolyten, vilket gör att en spänning uppstår. Den specifika bränslecellen i den här studien har en hög arbetstemperatur och elektrolyten, bestående av en fastoxid, är utformad för att endast släppa igenom syrejoner från katoden till anoden. Skillnaden mellan olika typer av bränsleceller är främst vilken typ av elektrolyt som används och bränslecellens arbetstemperatur. Övergångsfas Bränsleceller producerar elektricitet och värme direkt från kemiska och elektrokemiska reaktioner mellan bränsle och syret i luften, dvs. inget mekaniskt arbete. När ren vätgas eller biogas används blir det inga nettoutsläpp av koldioxid, hälsoskadliga partiklar eller kväveoxider, vilket gör processen helt miljövänlig och koldioxidneutral. För bränsleceller, såsom fastoxidbränslecellen, där arbetstemperaturen är mellan 600 och 800 °C är det möjligt att använda utöver vätgas mer komplexa bränslen, som naturgas, biogas eller etanol. Då sker en omvandling (reformering) av bränslet, antingen i en separat enhet som bränslet får passera innan det kommer till bränslecellen, eller inne i bränslecellens anod. Det material som vanligtvis används i anoden har visat sig vara lämpligt för 3
katalytisk omvandling av naturgas och biogas till vätgas och kolmonoxid. Dessa reagerar sedan i bränslecellens anod genom de elektrokemiska reaktionerna med syrejoner. Dagens forskning om bränsleceller med hög arbetstemperatur fokuseras till stor del till att öka förståelsen kring den porösa mikrostrukturens inverkan och både de kemiska och elektrokemiska reaktionernas inverkan på de fysikaliska processerna. Mer realistiska numeriska modeller som fångar upp dessa mikroskaliga processers inverkan på de närliggande fysikaliska processerna kan bidra till en enorm förbättring i bränslecellens effektivitet. Målet för dagens forskning är att kunna simulera de fysikaliska processerna på alla nivåer. Det är även viktigt att kunna jämföra experimentella och numeriska analyser speciellt på mikronivå då det finns ett kunskapsglapp där. De parametrar som har störst inverkan på de minsta nivåerna kan kopplas till de större nivåerna med de konventionella parametrarna såsom hastighet och temperatur. Med ökad förståelse om vid vilken nivå en process har störst inverkan, skapas möjligheten att bidra till förbättrad prestanda vilket i sin tur kan leda till att kostnaden kan sänkas. För att möjliggöra denna simulering ställs höga krav på den tillgängliga datorkapaciteten och i takt med att datorkapaciteten ökar kan mer komplexa simuleringar utföras. Några av problemen och utmaningarna med dagens energisystem, både globalt och lokalt, är utsläpp av bland annat koldioxid, hälsoskadliga partiklar och kväveoxider. Det diskuteras hur länge mänskligheten kan fortsätta att utvinna fossila bränslen i samma takt som idag då det verkar finnas en begränsad mängd att tillgå. Möjligheten för en ren, miljövänlig och energieffektiv bränsleanvändning driver utvecklingen av bränslecellssystem framåt i allt snabbare takt. Fastoxidbränslecellen kan fungera framförallt som en övergång från den konventionella teknologin för energiutvinning med möjligheten att internt hantera kolvätebränslen till en mer hållbar och miljövänlig energiproduktion. Det som kommer att bestämma tillväxten inom bränslecellsområdet är hur mycket tillverkningskostnaden kan sänkas, och livslängden ökas på kort tid. 4
Page 1 and 2: SOFC modeling from micro to macrosc
Page 3: Abstract The purpose of this work i
Page 7 and 8: List of publications Journal public
Page 9 and 10: 3.2 Governing equations for the mac
Page 11 and 12: Q source term (heat), W/m3 q heat f
Page 13 and 14: 1 Introduction After some time of d
Page 15 and 16: 2 SOFC modeling at smaller scales T
Page 17 and 18: etween 0.3 and 1.5 mm. In this conf
Page 19 and 20: Volume Method (FVM) which adopt the
Page 21 and 22: 2.3 Lattice Boltzmann method LBM ha
Page 23 and 24: streaming [3]. The concentration ρ
Page 25 and 26: ease the correspondence between the
Page 27 and 28: applicable for a mixture of two spe
Page 29 and 30: Figure 2.6: Effective boundary arra
Page 31 and 32: Table 2.1: Comparison of previous w
Page 33 and 34: Figure 2.7: Schematic illustration
Page 35 and 36: model is presented after the data c
Page 37 and 38: 3.2.1 Mass transport In the electro
Page 39 and 40: where h v is the volume heat transf
Page 41 and 42: Achenbach [43], it was found that t
Page 43 and 44: cathode are assumed to be similar t
Page 45 and 46: (3.48) where, besides the parameter
Page 47 and 48: for an isothermal spherical particl
Page 49 and 50: Velocity carried out to check wheth
Page 51 and 52: Figure 4.4: Velocity field [lu/ts]
Page 53 and 54: Table 4.2: Parameters in the SOFC a
Page 55 and 56:
eactions are safely fulfilled. This
Page 57 and 58:
Figure 4.8: Mole fraction distribut
Page 59 and 60:
Table 4.5: Inlet mole fractions for
Page 61 and 62:
Figure 4.12: Mole fraction distribu
Page 63 and 64:
5 Conclusions The physics and the t
Page 65 and 66:
7 References [1] Andersson M., Yuan
Page 67 and 68:
[25] Latt J., Hydrodynamic Limit of
show all

Thesis for degree: Licentiate of Engineering

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?