Transcript Predavanje 2011_12_PRS Str

Pogonski i radni strojevi
12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA
1
UVOD
2
Christian Friedrich Schönbein
pronalazač gorivnih članaka
1838.
Sir William Grove izradio je
gorivne članke 1839.
3
Grove-ovi gorivni članci iz 1839.
4
General Motors je 1966. godine izradio vozilo na pogon alkalnim gorivnim
člancima i krio-spremnicima za ukapljeni vodik i kisik
5
1959. je američki fizičar Francis T. Bacon izradio prvi sustav gorivnih
članaka za pouzdanu kontroliranu proizvodnju električne energije sa
snagom od 6 kW.
1963. Je izrađen sustav PEM gorivnih članaka sa snagom od 1 kW za
električno napajanje kapsule u svemirskom programu Gemini 5 za
NASA-u.
1965. Siemens je izradio sustav gorivnih članaka za pogon čamca
“eta”.
1966. General Motors je izradio sustav alkalnih gorivnih članaka za
pogon vozila “Electrovan”. Ukapljeni kisik i vodik čuvali su se
zasebno u krio-spremnicima na vozilu.
1989. Siemens je izradio sustav gorivnih članaka sa snagom 100 kW
za potrebe električnog pogona njemačke podmornice U1.
6
PRINCIP RADA I IZVEDBE
7
Katoda -
Anoda +
Elektrolit
Dovod
kisika
Dovod
vodika
Membrana
Odvod
vode
Membrana
Princip djelovanja alkalnog gorivnog članka (AFC)
8
Vodik kao gorivo dovodimo uz katodu, a kisik dovodimo uz anodu. Na površini
membrane prema elektrolitu, vodik reagira s negativnim ionima OH-grupe u elektrolitu,
pri čemu se oduzimaju dva elektrona. Oni se kroz električno trošilo dovode na anodu i
na njoj pospješuju oksidaciju goriva.
Katoda: H2 (plin) + 2 OH- (voda) → 2 H2O (tekućina) + 2 eOslobođeni elektroni vode se kroz električni vodič na anodu i na njoj potpomažu reakciju
redukcije. Na anodi na koju dovodimo kisik, reagira voda s kisikom uz dodavanje dva
elektrona, čime se stvaraju ioni hidroksida OH-:
Anoda:
H2O (tekućina) + ½ O2 (plin) + 2 e- → 2 OH- (voda)
Ioni OH- zatvaraju reakcijski krug pri čemu se oni difuzijom premještaju unutar elektrolita
od anode prema katodi gdje će poslužiti za oksidaciju vodika. Jednadžba za ukupnu
kemijsku reakciju pri čemu po svakoj molekuli H2 teče struja od 2 e- je:
H2 (plin) + ½ O (plin) → H2O (tekućina)
Elektrode (membrane) pri AFC mogu biti iz metala, teflona ili grafita i izvedene su kao
porozna masa. Kroz pore se difuzijom prenose plinoviti reaktanti prema elektrolitu i na
taj način stvaraju veliku površinu na kojoj se odvijaju reakcije. Kako bi se reakcije
ubrzale, kod niskotemperaturnih gorivnih članaka koristi se nanošenje katalizatora, kao
što su platina ili paladij. Kod opisanog alkalnog gorivnog članka (AFC) može se kao
katalizator koristiti i nikal.
9
Električni rad se može izračunati primjenom Faraday-eve konstante F = 96485 As/mol.
On je proporcionalan broju naboja z, tj. broju molova izmijenjenih elektrona i
energetskom potencijalu E samog gorivnog članka. Predznak je po definiciji negativan:
Wel   z FE  G0
Gdje je ΔG0 Gibbsova slobodna energija. Iz toga se može dobiti napon gorivnog članka
E0:
0

G
E0  
zF
Za gorivni članak s kisikom i vodikom dobivamo uz broj naboja z = 2 napon od:
0
3

G
237
.
3

10
J/mol
0
E 

 1.23 V
zF
2  96485As/mol
pri čemu iz gorivnog članka odvodimo dobivenu vodu kao tekućinu (ne kao paru).
10
Ako bi umjesto Gibbsove slobodne energije koristili promjenu entalpije zbog reakcije ΔH
dobili bi napon ogrjevne moći ili termoneutralni napon:
0

H
EH0  
zF
gdje je ΔH0 promjena entalpije pri reakciji jednoga mola goriva. Pored električnog rada i
napona gorivnog članka, interesira nas i stupanj djelovanja. Termodinamički stupanj
djelovanja za elektrokemijsku pretvorbu je:
G
T S
th 
 1
H
H
Gorivni članci mogu koristiti različite vrste goriva. Time dobivamo i različite napone i
stunjeve djelovanja gorivnih članaka. U sljedećoj tablici su prikazani podaci za različita
goriva.
11
Napon članka
Napon ogrjevne moći
Promjena
entropije
Standardni napon
Nernstov napon
Područje aktivacijskog napona
Napon zbog otpora trošila
Napon gorivnog članka Ez
Područje difuzijskog napona
Struja
Karakteristika gorivnog članka
12
Bipolarna ploča
Reaktant
Krajnja ploča
Brtva
Elektrolit
Sloj za difuziju plina
Membrana (elektroda)
s katalizatorom
Shematski prikaz izvedbe sustava PEM gorivnih članaka
13
Vrste gorivnih članaka
14
AFC gorivni članci su poboljšani iza 1930. godine kada se s kiselog elektrolita prešlo na
lužnati elektrolit na bazi kalijeve lužine KOH. Kao elektrode koristile su se porozne
elektrode propusne za plin. Prva velika primjena takvih gorivnih članaka bila je u
američkom svemirskom programu gdje je AFC proizvodili električnu energiju i pitku vodu
za posadu. Veliki nedostatak je bila potreba za ekstremno čistim kisikom i vodikom.
Moguće su izvedbe sa snagama od 10 do 100 kW.
MCFC gorivni članci počeli su se koristiti kada su 1950-tih nizozemski istraživači Broers i
Ketelaar primijenili rastaljene karbonate litija, natrija i kalija kao elektrolite. Pri radnoj
temperaturi od 650 oC proizvodi se velika količina otpadne topline koja se je u
utilizacijskom kotlu koristila za proizvodnju pare i dodatnu vanjsku proizvodnju električne
energije. Ovi su gorivni članci manje osjetljivi na kontaminaciju s CO. Oni imaju još uvijek
velike mehaničke i kemijske probleme s konstrukcijskim rješenjima obzirom na visoku
temperaturu rastaljenog elektrolita. Moguće su izvedbe za sada sa snagama do 100 MW.
15
Kisik
Gorivo
Elektrolit
Anoda
Katoda
toplina
Katalizator
Shema AFC gorivnog članka
16
Gorivo
Taljevina karbonata
Kisik
i
Katoda (porozni Ni)
Anoda (porozni NiO)
toplina
Shema MCFC gorivnog članka
17
PAFC gorivni članci su se pojavili 1960-tih i postali su prvi komercijalno prihvatljivi gorivni
članci. Radna temperatura od 200 oC omogućuje pogon uređaja za reformaciju
(proizvodnju vodika). PAFC su tolerantni na CO, ali se lako zagade sa sumporom.
Izrađene su mobilne i stacionarne jedinice sa snagom od 250 kW. Problemi ovih gorivnih
članaka vezani su na unutarnje kemijske reakcije i koroziju. Moguće su izvedbe ovih
gorivnih članaka sa snagama do 10 MW
PEMFC su se pojavili počekom 1960-tih i razvili su ih na početku Grubb i Niedrach. Koristi
se membrana iz polimera koja se mora ovlaživati vodom koja služi kao stabilni i pouzdan
elektrolit. Posebna prednost tih gorivnih članaka je radna temperatura niža od 100 oC i
visoka snaga obzirom na dimenzije i masu. Ovi gorivni članci umjesto čistog vodika mogu
koristiti i tekući metanol. PEMFC su jako osjetljive na kontaminaciju s CO. Moguće su
izvedbe gorivnih članaka sa snagama do 500 kW.
18
Kisik
Gorivo
Koncentrirana
Katoda
Anoda
toplina
Katalizator Pt ili P
Shema PAFC gorivnog članka
19
Gorivo
Kisik
Membrana za razmjenu
protona
Katoda
Anoda
toplina
Katalizator Pt
Shema PEMFC gorivnog članka
20
SOFC gorivni članci su se pojavili 1930-tih kada su istraživači u Rusiji i Švicarskoj
eksperimentirali s krutim keramičkim elektrolitima na temperaturi oko 1000 oC. Na tako
visokoj temperaturi kemijske reakcije se odvijaju jako brzo, tako da nije potreban skupi
katalizator. Visoka temperatura omogućuje da se vodik dobije unutar gorivnog članka iz
različitih ugljikovodika. Ovi gorivni članci s druge strane izloženi su velikim fizikalnim i
kemijskim problemima te stoga nije posve sigurna njihova veća primjena u
budućnosti.Moguće su izvedbe ovih gorivnih članaka sa snagama do 100 MW.
21
Gorivo
Kisik
Cirkonijev dioksid
Katoda (cermet)
Anoda (LSM)
toplina
Shema SOFC gorivnog članka
22
PRIMJERI PRIMJENE
23
Laptop s PEMFC gorivnim člancima do 50 W, 24 V
24
Agregat sa sustavom PEMFC gorivnih članaka snage 2 kW i primjeri primjene
25
Primjer modula sa sustavom MCFC gorivnih članaka elekrične snage 245 kW i
toplinske snage 180 kW
26
Mala elektrana snage 4 x 250 kW s MCFC gorivnim člancima. Otpadna
toplina koristi se kao tehnološka toplina za vrenje piva
27
Podmornica s ugrađenim PEMFC gorivnim člancima
28
Primjeri osobnih vozila na pogon
PEMFC gorivnim člancima
29
Primjeri gradskih autobusa na pogon
PEMFC gorivnim člancima
30
Gorivni članci PAFC se do sada najviše koriste. Oni se sastavljaju u module snage 250
kW za ustaljeni rad. Investicijski trošak je približno 3800 Eur/kWel.
Gorivni članci PEMFC su ugrađeni u pokazne eksperimente za mobilne i stacionarne
namjene. Investicijski trošak se kreće oko 10000 Eur/kWel. Više proizvođača
automobila istraživalo je razvoj gorivnih članaka s PEM Zajedno s elektromotorom,
gorivni članci pružaju pogon budućnosti za vozila bez emisije štetnih plinova i tvari u
okoliš. Postoji mogućnost da se umjesto vodika koriste prirodni plin ili metanol uz
proces reformiranja iz kojega se dobiva vodik za rad gorivnog članka.
Gorivni članci MCFC i SOFC su još u procesu istraživanja. Kod primjene SOFC postoji
mogućnost da se iza njih postavi utilizacijski kotao za proizvodnju vodene pare i pogon
turboagregata, čime se može povećati ukupni stupanj djelovanja sustava s gorivnim
člancima.
Gorivni članci nisu pogodni za rad s naglim promjenama opterećenja. Primjenom
akumulatorskih baterija i korištenja regeneracije energije pri kočenju vozila, može se
značajno smanjiti dinamika promjene opterećenja gorivnih članaka i time smanjiti ukupnu
potrošnju goriva.
31
Sustav gorivnih članaka
Spremnici goriva
(vodika)
Vozilo Mercedes Benz klasa C na pogon gorivnim člancima, spremnici vodika pod tlakom 700
bar i litij-ionske akumulatorske baterije
32
Zahvaljujemo na Vašoj pozornosti
33