Fizika Energijskih Virov 30.03.2007 Gorivne Celice Fizika Energijskih Virov 30.03.2007

Osnova Zgodovina Delovanje Tipi Učinkovitost Uporaba Problematika gorivnih celic

Zgodovina - Teoretičen model izumi Christian Friedrich Schönbein 1838 - William Robert Grove, 1843, fizična izvedba 1959 – prva komercialna gorivna celica 5 kW izumi Francis Thomas Bacon podjetje - UTC 200 kW celice (apollo, space shuttle…)

Sestava in delovanje Trije deli: katoda, anoda in elektrolit Več vrst gorivnih celic, odvisno od goriva Anoda: zunanji dovod goriva Katoda: oksidant Elektrolit: katerakoli snov z prostimi ioni in visoko prevodnostjo

Princip delovanja: PEM celic difuzija vodika v anodo platinast katalizator (anoda) cepi na elektrone in protone PEM membrana propušča le protone elektroni potujejo po zunanjem vezju - na katodi se tvori H20 + toplota PEM – polymer electrolyte membrane

Delovanje – PEM anode/katode Platinasta anoda ( na grafitni ploščici - korozija ) cepi molekulo vodika Problem onesnaženja platinastega katalizatorja z CO (uvedba izboljšanih katod in anod, platinum-ruthenium) Izgube pri cepitvi kisika, zaradi močnejše vezi (enak kat.) Produkti: voda, toplota in električna energija Delovna napetost je okoli 1,23 V in učinkovitost 40%-50%

Delovanje - PEM membran debelina membrane je okrog 50 mikrometrov (upornost) lastnosti : - dobro prevodna za protone, ne elektrone ne sme prevajati plinov (gas crossover) ne reagira s platino, odporen na korozijo, teperaturno odporna nafion: C7HF13O5S x C2F4 - za delovanje potrebna vlaga, kar proizvede serijo problemov (posušitev, zalivanje, temp. odvisnost)

Delovanje – PEM Produkti - H2O - Toplota (80-90 stopinj Celzija) - Električna napetost približno 1,2 (pri velikih obrementivah jako pade)

Tipi Gorivnih celic Tipov gorivnih celic je dandanes mnogo. Ločijo se po : vrste goriv, vrste in materiali katod, vrste elektrolitov... - alkaline – alkalne gorivne celice - direct methanol fuel cells – celice na čisti metanol - reformed methanol fuel cells – izboljšana verzika metanolnih celic - molten carbonate fuel cell – tekoče ogljikove gorivne celice - solid oxide fuel cell – trdno oksidne gorivne celice KLIK – tabela vseh vrst gorivnih celic

Alkaline FC Anoda: oksidacija vodika, ter nastanek vode - Izjemno visoki izkoristki, do 70 % zelo draga proizvodnja goriva najcenejši tip celice za proizvodnjo temp. delovanja < 80 oC moč 10kW – 100kW Katoda: redukcija kisika in tvorba OH- ionov Elektrolit : KOH, zelo dobro reagira z CO in CO2 uporabljene predvsem pri Nasi 1: Vodik 2: Tok elektronov 3: Breme 4: Kisik 5: Katoda 6: Elektrolit 7: Anoda 8: Voda 9: Hidroksidni ioni

Direct Methanol FC Anoda: oksidacija vodika, ter nastanek vode CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e Katoda: redukcija kisika in tvorba OH- ionov 3/2 O2 + 6H+ +6 e- → 3H2O Elektrolit: polimerne membrane - uporaba metanola CH3OH (preprosto skladiščenje) temp. delovanja 90 oC - 120 oC moč 1 mW – 100kW Slabosti: - slabi izkoristki do 20 % (prodor metanola skozi membrano) - dragi materiali za proizvodnjo (platina) če metanol preide na katodo, bo hitro oksidirala

Reformed Methanol FC dvakrat boljši izkoristki od navadnih metanol celic 50 – 60 % - polovična velikost celotne celice uporaba metanola CH3OH (preprosto skladiščenje) temp. delovanja 250 oC - 300 oC moč 5 W – 100kW ni potrebe po transportu vode Uporaba: prenosniki, srednje velike električne naprave Slabosti: dragi materiali za proizvodnjo, dosti cenejši od DMFC (platina) pol litra metanola = 45 Wattov v dnevu - cena 30.000$ -- vse do 800$

MCFC – tekoči ogljik precej kompleksen elektrolit – tekoča ogljikova ali litijeva spojina v slani raztopini vgrajena v tekočo kemično inertno keramično matrico Zaradi zelo visokih temperatur: - neobčutljive na CO ali CO2 - hitrejše kemične reakcije in predelava vodika kar v napravi (internal reforming) Prednosti: - visoki izkoristki, do 65 %, vroče pare uporabimo naknadno še na turbinah - temp. delovanja 600-650 oC moč 100MW fleksibilnost goriv Slabosti: bistveno skrajšana življenska doba (visoke temp) počasen zagon in dolgo segrevanje

SOFC – trdno oksidne GC precej kompleksen elektrolit – trden zirkonijev dioksid (ZrO2) z primesmi YTTRIA Zaradi zelo visokih temperatur: - neobčutljive na CO ali CO2 - hitrejše kemične reakcije in predelava vodika kar v napravi (internal reforming) Prednosti: - visoki izkoristki, do 65 %, vroče pare uporabimo naknadno še na turbinah - temp. delovanja 700-1000 oC moč 100MW kisikovi ioni porozni elektrodi Slabosti: bistveno skrajšana življenska doba (visoke temp) počasen zagon in dolgo segrevanje gost elektrolit

Učinkovitost / Izkoristek - ne spadajo v Carnot-jev cikel, ker ne delujejo v termalnih ciklih učinkovitost je zelo odvisna od delovne napetosti, ter bremena na naši celici ( padec napetosti je zagotovljen z večanjem toka) primer : tako vodikova PEM celica ima le 50 % izkoristek pri 0,6 V (1,3 V) - v zaprtih prostorih bi vlaga v zraku še efektivno znižala učinkovitost predvsem velika količina toplote ostane neizkoriščene pri majhnih napravah in nizkih temp. precej slab round-trip efficiency 30%-50%, navadne svinčeve baterije imajo okrog 80% zelo slabo E/C razmerje (energy / cash ratio) ni izgorevanja in premikajočih delov, zato imajo lahko dolgo življensko dobo uhajanje vodika

analiza obrementive PEM celice analiza obrementive PEM celice. Podana je moč in napetost, ter izkoristek

Uporaba TRANSPORT – PEM celice avtomobilska industrija (transport), vsa velika podjetja razvoj avtomobilov Toyota in Honda za masovno proizvodnjo... (800.000 USD - leasing) - avtobusi, lokomotive, letala, skuterji, kolesa vesoljska tehnologija vojna industrija (sateliti, tanki, izvidniška letala, biosuit...) PRENOSNA ENERGIJA – direct methanol prenosniki, mobilni telefoni, vse manjše naprave (cilj: do mesec neprekinjenega delovanja), ročna orodja, alarmni sistemi STACIONARNA UPORABA – različne vrste primarni ali pomožni enegijski vir za bolnice, hotele, podjetja, šole, letališča... (izraba električne energije, toplote, ter proizvodnja čiste vode)

Problemi GC zelo draga proizvodnja, platina (le še nekaj mikrometrov), vodik, kisik... preračunana cena tako znaša 1000$ na kilowatt (2002) masovna proizvodnja (cena membran 400€/m2, na 4€/m2) velika občutljivost (nečistoče, količina vode - PEM) zelo natančen dotok snovi (razmerje kisika in vodika) konstantna temperatura (raztezanje materialov) zagotovitev dolge življenske dobe (avtomobili: 5.000 ur = 240.000 km, standardi, delovna temp. -30 do 45oC, dobri pospeški in kratki odzivni časi, ter življenska doba 40.000 ur) velika občutljivost na ogljikov monoksid

Viri: http://www.fuelcellsworks.com/Supppage2336.html http://www.ecn.nl/bct/solupor.en.html http://www.fuelcelltoday.com/FuelCellToday/EducationCentre/EducationCentreExternal/EduCentreDisplay/0,1741,History,00.html http://www.utcpower.com/fs/com/bin/fs_com_Page/0,11491,0122,00.html http://web.mit.edu/afs/athena.mit.edu/org/m/mecheng/fcp/about%20f%20cells.html http://www.efcf.com/reports/E04.pdf http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2006/TM-2006-214054.pdf http://www.fuelcells.org/basics/benefits.html Fuel Cell Today website European Fuel Cell Forum Fuel Cells Bulletin Newsletter The Hydrogen Economy Hydrogen & Fuel Cell Investor The Hydrogen & Fuel Cell Letter BIGS: Fuel Cell Animation

Ekonomija vodika o realnih cenah se nima smisla pogovarjati (zaradi različnih načinov proizvodnje) večanje proizvodnje industrije, elektroliza glavni vir BG – algae v velikem razvoju najugodneje: fuzija -> električna energija -> vodik -> FC nanotube tablets – kapaciteta: 68kg/m3 vodika