1. Fizika Energijskih Virov 30.03.2007
Gorivne Celice
Fizika Energijskih Virov

2. Osnova Zgodovina Delovanje Tipi Učinkovitost Uporaba
Problematika gorivnih celic

3. 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…)

4. 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

5. 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

6. 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%

7. 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)

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

9. 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

10. 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

11. 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 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

12. 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 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 $ -- vse do 800$

13. 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 oC
moč 100MW
fleksibilnost goriv
Slabosti:
bistveno skrajšana življenska doba (visoke temp)
počasen zagon in dolgo segrevanje

14. 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 oC
moč 100MW
kisikovi ioni
porozni elektrodi
Slabosti:
bistveno skrajšana življenska doba (visoke temp)
počasen zagon in dolgo segrevanje
gost elektrolit

15. 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

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

18. Uporaba TRANSPORT – PEM celice
avtomobilska industrija (transport), vsa velika podjetja razvoj avtomobilov
Toyota in Honda za masovno proizvodnjo... ( 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)

19. 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: ur = km, standardi, delovna temp. -30 do 45oC, dobri pospeški in kratki odzivni časi, ter življenska doba ur)
velika občutljivost na ogljikov monoksid

20. Viri: http://www.fuelcellsworks.com/Supppage2336.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

21. 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