Hybridní pohony. Měniče a nosiče energie. Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc. ČVUT FEL Praha

Transkript

1 Hybridní pohony Měniče a nosiče energie Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc. ČVUT FEL Praha 1

2 Hybridní pohony Obsah Měniče energie pracující na principu Fyzikální princip Pracovní média Účinnost přeměny energie palivovými články Současná provedení Metody transformace klasických i alternativních paliv pro použití v palivových článcích Současné a výhledové vlastnosti hybridních a elektrických vozidel 2

3 Měniče energie pracující na principu 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

4 Měniče energie pracující na principu Palivovéčlánky se dělí především podle typu elektrolytu. V současné době existuje následujících pět systémů: alkalickéčlánky (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

5 Měniče energie pracující na principu Chemické reakce v kyselém a zásaditém elektrolytu palivového článku Kyselý elektrolyt 5

6 Měniče energie pracující na principu Uspořádání palivového článku s polymerovou membránou Základní chemické reakce v palivovém článku se zásaditým elektrolytem 6

7 Měniče energie pracující na principu Přehled reagentů a pracovních teplot základních druhů 7

8 Měniče energie pracující na principu Provedení elektrod a membrány palivového článku polymer-elektrolyt 8

9 Měniče energie pracující na principu SESTAVA PEFC se systémem kanálků pro rozvod reakčních plynů vodíku a kyslíku 9

10 Měniče energie pracující na principu Možné koncepce pro vozidla 10

11 Měniče energie pracující na principu Přímomethanolový palivový článek Chemické reakce 11

12 Měniče energie pracující na principu 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

13 Měniče energie pracující na principu 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

14 Měniče energie pracující na principu Nádrž na kapalný vodík firmy LINDE 14

15 Měniče energie pracující na principu 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

16 Měniče energie pracující na principu Vlastnosti hydridů vhodných pro použití ve vozidlech s palivovými články 16

17 Měniče energie pracující na principu Dojezd vozidla s různými typy zásobníku paliva 17

18 Měniče energie pracující na principu Sestava palivového článku napájeného z vodíkové nádrže s obslužným zařízením 18

19 Měniče energie pracující na principu Blokové schéma hybridního pohonu s PEFC a reformérem methanolu na vodík 19

20 Měniče energie pracující na principu Předpokládaný vývojový trend s výkonovou úrovní 50 kw pro použití ve vozidlech Reformer a katalytický hořák 20

21 Výroba paliv pro palivové články Využití energie vozidla na palivové články (bez použití reformeru) 21

22 Výroba paliv pro palivové články Předpokládaný vývoj účinnosti využití energie paliva ve vozidle se spalovacím motorem a palivovým článkem od nádrže na kola 22

23 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 tun methanolu. Ze 2,5 kg biomasy lze získat 1 kg methanolu. 23

24 Výroba paliv pro palivové články Schéma výroby vodíku parní reformací s využitím tepelné energie jaderného reaktoru (neelektrolytický postup) 24

25 Výroba paliv pro palivové články Výroba vodíku Elektrolýzou vody (problém oddělení H2 a O2) Termochemickým cyklem 25

26 Výroba paliv pro palivové články Výroba vodíku Elektrolýzou vody (problém oddělení H2 a O2) Termochemickým cyklem 26

27 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

28 Hybridní automobily 28

29 Hybridní automobily Topologie hybridního pohonu se spalovacím motorem a palivovým článkem 29

30 Hybridní automobily Účinnosti různých koncepcí hybridního pohonu 30

31 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