Palivové články typu kov-vzduch v elektromobilitě

Filip HRÁDEK

Bachelor's thesis

Metal-Air fuel cell in electric vehicle applications

Abstract:

Předkládaná bakalářská práce je zaměřena na rešerši aktuálního vývoje v oblasti palivových článků kov-vzduch a následné porovnání systému zinek-vzduch s komerčním typem Li-ion baterie. První část je věnována rozboru struktury článků kov-vzduch, specifickému designu jednotlivých typů kovových elektrod, konstrukci a katalytické struktuře vzduchem ventilované katody a také požadavkům na elektrolyt, které se liší v závislosti na použitém kovu. První část je také věnována teoretickému rozboru faktorů ovlivňujících účinnost a životnost jednotlivých sekundárních článků typu kov-vzduch. Zásadním problémem, bránícím masovému používání článků kov-vzduch, je negativní vliv cyklování článků, především pak strukturní změny na kovové elektrodě. V teoretické části práce jsou zmíněna možná technická řešení, na která se současný vývoj zaměřuje a která by měla přispět ke zvýšení životnosti i bezpečnosti článků. V druhé části jsou uvedeny výpočty vybraných energetických parametrů článků kov-vzduch, jako je teoretická hustota energie, teoretická objemová hustota energie a teoretická kapacita. Na základě těchto teoretických parametrů, vlastností článků (cyklovatelnost a bezpečnost) a vlastností kovů (cena a recyklovatelnost) jsou porovnány jednotlivé typy článků kov-vzduch. V druhé části je dále uveden stručný teoretický přehled Li-ion baterií využívaných v elektromobilitě. V závěru druhé části je na základě výzkumných článků, kde byla realizována simulace pohonu využívajícího duální systém skladování energie, provedeno srovnání systému využívajícího Li-ion baterii oproti systému využívajícímu menší prvotní Li-ion baterii v kombinaci se záložní baterií zinek-vzduch sloužící pro prodloužení dojezdu. Srovnání je provedeno na základě parametrů jako je dojezd, spotřeba, emise a cena elektromobilů využívající tyto systémy.

Abstract:

The presented bachelor thesis is focused on the research of current developments in the field of metal-air fuel cells and subsequent comparison of the zinc-air system with a commercial type of Li-ion battery. The first part is devoted to the analysis of the metal-air cell structure, the specific design of each type of metal electrode, the design and catalytic structure of the air-vented cathode, and the electrolyte requirements, which vary depending on the metal used. The first part is also devoted to a theoretical analysis of the factors influencing the efficiency and lifetime of individual secondary metal-air cells. A major problem preventing the mass use of metal-air cells is the negative effect of cell cycling, especially the structural changes on the metal electrode. In the theoretical part of the thesis, possible technical solutions are mentioned, on which the current development is focused and which should contribute to the increase of the lifetime and safety of the cells. In the second part, calculations of selected energy parameters of metal-air cells such as theoretical energy density, theoretical volumetric energy density and theoretical capacity are presented. Based on these theoretical parameters, cell properties (cyclability and safety) and metal properties (cost and recyclability) the different types of metal-air cells are compared. In the second part, a brief theoretical overview of Li-ion batteries used in electromobility is presented. The second part concludes with a comparison of a system using a Li-ion battery versus a system using a smaller primary Li-ion battery in combination with a backup zinc-air battery to extend the range, based on research articles where simulations of a drive using a dual energy storage system have been carried out. The comparison is based on parameters such as range, consumption, emissions and price of electric vehicles using these systems.

Keywords

Kov-vzduch, zinek-vzduch, lithium-vzduch, železo-vzduch, Li-ion, elektromobilita, sekundární články, duální systém skladování energie

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 5. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Lenka Stachová, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Bachelor programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electrical and Power Engineering