Transcript Gorivne celice 1

Mentor: prof.dr.Marko Zgonik
Leto: 2012
Avtor: Marina Marič
 Zgodovina FC
 Kaj je gorivna celica
 Osnove delovanja FC
 Vrste FC

Opis posameznih FC
 Prednosti in slabosti FC, aplikacija celice
 Aplikacija fc
 Avtomobilizem
 1839: 1.primitivna gorivna celica; William Grove
 1889: izraz Gorivna Celica
 1932: prva trajna delujoča gorivna celica
 1952: 5kW univerzalna gorivna celica;
traktor z močjo 15kW; Harry Karl Ihrig
 1959: prvo osebno vozilo
 1950/1960: NASA razvija tehnologijo FC v vesoljskih plovilih;
Gemini in Apollo
 1993: prvi avtobus na gorivne celice
 1997: prototip osebnega avtomobila
 1999: vozilo s pogonom na FC; Daimler - Chrysler
 elektrokemična naprava za pretvorbo kemične energije v električno
energijo
 Glavni sestavni deli:  elektrode
 katalizatorji
 elektroliti
 goriva in oksidanti
delovanje podobno galvanskemu členu oz. zagonski bateriji
 gorivo običajno vodik ali plin, ki vsebuje vodik in zrak
 značilnosti proizvodnje električne energije z gorivnimi celicami:
 zelo nizka emisija škodljivih plinov
 velik izkoristek
 tiho delovanje
možnost enostavnega povezovanja posameznih celic v
module
 Kisik in vodik reagirata med seboj, produkt je voda, sprošča se
energija
 H2 + ½ O2 katalizator → H2O + toplotna energija
 sprošča se ogromna količina toplote, reakcija je eksotermna
 v gorivni celici vodik in kisik tvorita električni člen

MEMBR AN A
AN O D A
VO D IK
H2
KAT O D A
O2
H2
Z R AK
O2
H2
O2
H+
H2
O2
H2
O2
H2
H+
H 2O
H2
H 2O
VO D IK
H2
H 2O
+
-
VO D A + Z R AK
 vodik oksidira, sprostijo se elektroni
 H2 → 2H+ + 2e- (anoda)
 elektroni tečejo na katodo, reducira se kisik
 ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O (katoda)
 skupna reakcija: H2 + ½ O2 → H2O
 produkti reakcije: voda, električna energija, toplota
 H2 + ½ O2 katalizator → H2O + toplotna energija+ električna
energija
MEMBR AN A
AN O D A
VO D IK
H2
KAT O D A
O2
H2
Z R AK
O2
H2
O2
H+
H2
O2
H2
O2
H2
H+
H 2O
H2
H 2O
VO D IK
H2
H 2O
+
-
VO D A + Z R AK
 delovna temperatura (visoka, srednja, nizka)
 tlak delovanja (visok, srednji, nizki)
 uporabljeno gorivo, oksidant gorivo, oksidant v plinastem
agregatnem stanju, tekoča goriva, celice na trdna goriva
 stanje goriva (direktni, indirektni)
 način dovajanja goriva (primarne, sekundarne)
elektrolit
 AFC – alkaline fuel cell
 PAFC – phosporic acid fuel cell
 PEMFC – proton electrolyte fuel cell
 SOFC – solid oxide fuel cell
 SPFC – solid polymer fuel cell
 MCFC – molten carbonate fuel cell
 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
50 – 60
Oksidant
Kisik ali
zrak
Kisik ali
zrak
Kisik ali
zrak
Kisik ali
zrak in CO2
Kisik ali
zrak
G O R IV O
K A TO D A -


Primarne gorivne celice:
gorivo in oksidant dovajamo iz zunanjih rezervoarjev
produkt reakcije izmet (O1, N1, H1O, CO1)
AN OD A +
1.
O K S ID A N T
PR O DU KT
PR O D UKT
R EG EN ERAT O R
SEPAR AT O R
E N E R G IJA
O K S ID A N T

K A TO D A -

AN OD A +

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
G O R IV O
2.
 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:
 deluje pri nizki temperaturi
 daljša življenjska doba te celice
1.
2. Slabosti:
 katalizatorji iz dragih plemenitih kovin
 platina je draga in občutljiva na ogljikov monoksid
 proces mora biti izredno čist
3. Aplikacija:
 avtomobili s hitrim zagonom, lahka vozila
 zgradbe
 druga manjša poraba
 delujejo z zelo čistim vodikom (gorivo) in zelo čistim kisikom
(oksidant)
 elektrolit je KOH
 razvite za vesoljska plovila
 reakcija na anodi: H2 + 2(OH)- = 2H2O + 2e1
2
 reakcija na katodi: O2 + H20 + 2e- = 2(OH) delujejo pri nizkih temperaturah
 uporaba v vesoljski in vojaški tehniki
Prednosti:
 visoko zmogljive celice
 visok izkoristek
1.
Slabosti:
 občutljivost na ogljikov dioksid
 vodik in kisik morata biti izredno čista
 postopek čiščenja ni poceni
2.
Aplikacija:
ameriški vesoljski program
vojaška in vesoljska tehnika
3.


 fosforno – kislinske gorivne celice
 edine komercialno najbolj dosegljive in razvite
 reakcija na anodi: H2 = 2H+ + 2e1
2
 reakcija na katodi: O2 + 2H+ + 2e- = H20
 kot katalizator služijo dragi materiali – platina
Prednosti:
veliko manj občutljiva na nečistoče v pridobivanju vodika
1.

Slabosti:
nižji neposredni izkoristek
visoka cena takšnih celic
2.


3. Aplikacija:
 bolnice


domovi za ostarele
 hoteli
 uradi
 Šole
elektrarne, večja vozila, avtobusi, lokomotive
 Avtomobilizem
 Za sisteme ogrevanja
 Računalništvo
 mehanika, elektrika in elektronika spravljene v 28 cm debelo; 4,4
m dolgo; 1,8 m široko dno avtomobila
 v zadnjem delu 200 gorivnih celic, zloženih v blok 47 * 25 * 49 cm
 izhodna moč bloka 94kW
 električna napetost 125V
 izmenični tok
 možnost povečanja napetosti na 250V
 trifazni asinhronski električni motor, moč 60kW
 v osrednjem delu 3 valjaste posode za vodik iz
ogljikovih vlaken; v njih 2 kg uplinjenega
vodika s tlakom 350 barov.
 nižji stroški prevoza
 tiha vozila
 manj obremenjujejo okolje
 manj sestavnih delov, nižja cena
 manjša možnost okvar
 večje udobje
 prevozijo lahko veliko več kilometrov
 doseg vozila omejen z zalogo energije (baterije)
 med potjo dodatno polniti baterije na polnilnih postajah
 akumulatorji težki, zavzamejo veliko prostora
 omejena življenjska doba akumulatorjev
 polnjenje akumulatorja najmanj 3 ure
 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/PT78.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell
 http://www.motorevija.si/l3.asp?L1_ID=39&L2_ID=209
http://www.youtube.com/watch?v=fS4hZWTo8p4
http://www.youtube.com/watch?v=UbaL48ybvGA
http://www.fuelcells.org/
http://www.in-wheel.com/media/website/energijski-viri-za-elektricna-vozila-
prezentacija/prezentacijaevirizaev.pdf
 http://www.evropa.gov.si/si/energetika/obnovljivi-viri-energije/
Lep pozdrav!