Gorivne celice Energija prihodnosti Mentor prof dr Marko

Gorivne celice Energija prihodnosti Mentor: prof. dr. Marko Zgonik Leto: 2012 Avtor: Marina Marič

Uvod v Gorivne Celice Ø Zgodovina FC Ø Kaj je gorivna celica Ø Osnove delovanja FC Ø Vrste FC Ø Opis posameznih FC Ø Prednosti in slabosti FC, aplikacija celice Ø Aplikacija fc Ø Avtomobilizem

Some history of Fuel Cell Ø 1839: 1. primitivna gorivna celica; William Grove Ø 1889: izraz Gorivna Celica Ø 1932: prva trajna delujoča gorivna celica Ø 1952: 5 k. W univerzalna gorivna celica; traktor z močjo 15 k. W; Harry Karl Ihrig Ø 1959: prvo osebno vozilo Ø 1950/1960: NASA razvija tehnologijo FC v vesoljskih plovilih; Gemini in Apollo Ø 1993: prvi avtobus na gorivne celice Ø 1997: prototip osebnega avtomobila Ø 1999: vozilo s pogonom na FC; Daimler - Chrysler

Gorivna celica Ø elektrokemična naprava za pretvorbo kemične energije v električno energijo Ø Glavni sestavni deli: elektrode katalizatorji elektroliti goriva in oksidanti

Osnove delovanja gorivne celice Ødelovanje podobno galvanskemu členu oz. zagonski bateriji Ø gorivo običajno vodik ali plin, ki vsebuje vodik in zrak Ø značilnosti proizvodnje električne energije z gorivnimi celicami: zelo nizka emisija škodljivih plinov velik izkoristek tiho delovanje možnost enostavnega povezovanja posameznih celic v module

Ø Kisik in vodik reagirata med seboj, produkt je voda, sprošča se energija Ø H 2 + ½ O 2 katalizator → H 2 O + toplotna energija Ø sprošča se ogromna količina toplote, reakcija je eksotermna Ø v gorivni celici vodik in kisik tvorita električni člen Ø

Ø vodik oksidira, sprostijo se elektroni Ø H 2 → 2 H+ + 2 e- (anoda) Ø elektroni tečejo na katodo, reducira se kisik Ø ½ O 2 + 2 H+ + 2 e- → H 2 O (katoda) Ø skupna reakcija: H 2 + ½ O 2 → H 2 O Ø produkti reakcije: voda, električna energija, toplota Ø H 2 + ½ O 2 katalizator → H 2 O + toplotna energija+ električna energija

Vrste gorivnih celic – osnovna delitev Ø delovna temperatura (visoka, srednja, nizka) Ø tlak delovanja (visok, srednji, nizki) Ø uporabljeno gorivo, oksidant v plinastem agregatnem stanju, tekoča goriva, celice na trdna goriva Ø stanje goriva (direktni, indirektni) Ø način dovajanja goriva (primarne, sekundarne) Øelektrolit

Delitev glede na elektrolit Ø AFC – alkaline fuel cell Ø PAFC – phosporic acid fuel cell Ø PEMFC – proton electrolyte fuel cell Ø SOFC – solid oxide fuel cell Ø SPFC – solid polymer fuel cell Ø MCFC – molten carbonate fuel cell Ø DMFC – direct methanol fuel cell

Ime S polimerno membrano Alkalijske S fosforno kislino Z raztopljeni m karbonato m S trdnim oksidom Kratica PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC Delovna 80 – 90 temperatura [°] 100 200 – 250 650 800 – 1000 Izkoristek [%] 50 – 60 >>70 40 50 – 60 Oksidant Kisik ali zrak in CO 2 Kisik ali zrak

Delitev glede na način dovajanja goriva 1. Ø Ø Primarne gorivne celice: gorivo in oksidant dovajamo iz zunanjih rezervoarjev produkt reakcije izmet (O 1, N 1, H 1 O, CO 1)

2. Ø Ø Ø Sekundarne gorivne celice: produkt reakcije se obnovi v izhodiščne elemente dovajamo termično in električno energijo elementi se obnovijo v gorivnem elementu ali tudi izven njega

PEMFC – proton electrolyte membrane fuel cell Ø Ø Ø Ø Ø Najpogostejša med FC Nizkotemperaturne celice, nizke temperature Visoka gostota energije Gorivo čist vodik, oksidant kisik ali zrak za delovanje celice mora membrana vsebovati dovolj vode Osnovna enota: 2 elektrodi, elektrolit (prevodnik) Plinsko – difuzijski elektrodi Osnovne elektrokemične reakcije Transport elektronov

Prednosti in slabosti PEMFC, aplikacija celice 1. Prednosti: Ø deluje pri nizki temperaturi Ø daljša življenjska doba te celice 2. Slabosti: Ø katalizatorji iz dragih plemenitih kovin Ø platina je draga in občutljiva na ogljikov monoksid Ø proces mora biti izredno čist 3. Aplikacija: Ø avtomobili s hitrim zagonom, lahka vozila Ø zgradbe Ø druga manjša poraba

AFC – alcalic fuel cell

Prednosti in slabosti AFC, aplikacija celice 1. Prednosti: Ø visoko zmogljive celice Ø visok izkoristek 2. Slabosti: Ø občutljivost na ogljikov dioksid Ø vodik in kisik morata biti izredno čista Ø postopek čiščenja ni poceni Ø Ø 3. Aplikacija: ameriški vesoljski program vojaška in vesoljska tehnika

PAFC – phosphoric acid fuel cell

Prednosti in slabosti PAFC, aplikacija celice Ø 1. Prednosti: veliko manj občutljiva na nečistoče v pridobivanju vodika Ø Ø Ø 2. Slabosti: nižji neposredni izkoristek visoka cena takšnih celic 3. Aplikacija: Ø bolnice Ø domovi za ostarele Ø hoteli Ø uradi Ø Šole elektrarne, večja vozila, avtobusi, lokomotive

Aplikacija gorivnih celic q Avtomobilizem q Za sisteme ogrevanja q Računalništvo

Avtomobilizem Ø mehanika, elektrika in elektronika spravljene v 28 cm debelo; 4, 4 m dolgo; 1, 8 m široko dno avtomobila Ø v zadnjem delu 200 gorivnih celic, zloženih v blok 47 * 25 * 49 cm Ø izhodna moč bloka 94 k. W Ø električna napetost 125 V Ø izmenični tok Ø možnost povečanja napetosti na 250 V Ø trifazni asinhronski električni motor, moč 60 k. W Ø v osrednjem delu 3 valjaste posode za vodik iz ogljikovih vlaken; v njih 2 kg uplinjenega vodika s tlakom 350 barov.

Prednosti električnih vozil Ø nižji stroški prevoza Ø tiha vozila Ø manj obremenjujejo okolje Ø manj sestavnih delov, nižja cena Ø manjša možnost okvar Ø večje udobje Ø prevozijo lahko veliko več kilometrov

Slabosti električnih vozil Ø doseg vozila omejen z zalogo energije (baterije) Ø med potjo dodatno polniti baterije na polnilnih postajah Ø akumulatorji težki, zavzamejo veliko prostora Ø omejena življenjska doba akumulatorjev Ø polnjenje akumulatorja najmanj 3 ure

Viri § ENERGETIKA; Jurij Drev, Jelka Onuk; 2010 § Handbook of Fuel Cells (Fundamental Technology and Applications); Volume 1; Wolf Vielstich, Arnold Lamm, 2003 § Handbook of Fuel Cells (Fundamental Technology and Applications); Volume 2; Wolf Vielstich, Arnold Lamm, 2003 § SIHFC, obnovljivi viri energije, 2007 § Fuel Cell Technology Handbook, Gregor Hoogers; CRC Press LLC, 2003 § http: //www. mojmikro. si/geekfest/pogled_naprej/gorivne_celice §http: //www. mg. gov. si/fileadmin/mg. gov. si/pageuploads/Energetika/Porocila/Gorivne_c elice_dipl. pdf §http: //gcs. gi-zrmk. si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT 78. htm §http: //en. wikipedia. org/wiki/Fuel_cell § http: //www. motorevija. si/l 3. asp? L 1_ID=39&L 2_ID=209 §http: //www. youtube. com/watch? v=f. S 4 h. ZWTo 8 p 4 §http: //www. youtube. com/watch? v=Uba. L 48 ybv. GA §http: //www. fuelcells. org/ §http: //www. in-wheel. com/media/website/energijski-viri-za-elektricna-vozilaprezentacija/prezentacijaevirizaev. pdf § http: //www. evropa. gov. si/si/energetika/obnovljivi-viri-energije/

Lep pozdrav!