VODIK IN GORIVNE CELICE

Transcript

1 VODIK IN GORIVNE CELICE Katedra za mehatroniko Laboratorij za regulacijsko tehniko in močnostno elektroniko Štud. leto 2012/2013

2 Prvo gorivno celico je izdelal Sir William Grove leta NASA - Apollo Gorivna celica + - e O 2 H 2 O 2 e A H 2 2H 2 + O 2 2H 2 O A K Pt K A Pt Elektrolit Elektrolit

3 Kaj je gorivna celica? 1. Gorivna celica je elektrokemični pretvornik energije. 2. Za delovanje potrebuje gorivo VODIK H 2 in KISIK O 2 (iz zraka). 3. V elektrokemičnem procesu, ki se v njej odvija, proizvaja električno energijo, vodo in toploto.

4 Princip delovanja gorivne celice Primer: gorivna celica z membrano za izmenjavo protonov Ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) 4e - R B Pozitivna priključna plošča (+) O 2 H 2 (-) Negativna priključna plošča O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O 4H + 2H 2 4H + + 4e - Membrana Kisikova elektroda (katoda) Voda Katalizator (Pt) Vodikova elektroda (anoda)

5 Membrana za izmenjavo protonov (ang. PEM) Membrana in elektrodi Katalizator Katalizator Anoda Katoda Elektrolit (polimer) Grafit Grafit

6 U-I karakteristika gorivne celice U(V) Aktivacijska napetost U 0 U=I R (R = notranja upornost) Padec napetosti zaradi difuzije j (A/cm 2 )

7 Zvišanje izkoristka gorivnih celic Učinkovitost gorivnih celice je možno izboljšati z naslednjimi ukrepi: doseči je treba ustrezno hitrost dovajanja obeh plinov na celotno površino elektrode zagotoviti je treba, da so plin, elektrolit in s katalizatorjem prevlečeni elektrodi čim bližje skupaj, preprečiti je treba prehajanje plinov skozi elektrolit,

8 doseči je treba čim višjo prevodnost membrane in elektrod, povečati je treba površino katalizatorja na enoto mase (to dosežemo z zmanjšanjem velikosti delcev), odstraniti je treba vodo, ki nastaja ob elektrodi, kjer dovajamo kisik. Pomembno je, da elektroda ni zalita z vodo, kar bi onemogočilo dostop kisika do elektrode.

9 Niz gorivnih celic Elektrolit Anoda Katoda Sklop (MEA) Tokovna zbiralka Zaključna plošča Tokovna zbiralka Plošča za dovod plina Bipolarna plošča Plošča za dovod plina Zaključna plošča

10 Niz gorivnih celic

11 Stanje v razvoju Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov obratujejo pri relativno nizkih temperaturah (80 C) in dosegajo visoko gostoto moči. Hitro lahko spreminjajo izhodno moč in so še posebej primerne za naprave, kjer so potrebni hitri zagoni (npr. v avtomobilih). Ta tip celic je zelo občutljiv na čistost goriva. Največje izdelane enote že dosegajo moči do 250 kw.

12 Gorivna celica z metanolom Na anodni strani: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e - Na katodni strani pa: 1,5 O 2 + 6H + 3H 2 O Celotna reakcija je torej: CH 3 OH + 1,5O 2 CO 2 + 2H 2 O

13 Alkalna gorivna celica (ang. Alkaline Fuel Cells) Na anodni strani: Katodni strani pa: 2H 2 + 4OH - 4H 2 O + 4e - O 2 + 4e - + 2H 2 O 4OH - Iz reakcij je razvidno, da mora biti elektrolit bazična raztopina. Uporabimo lahko raztopino NaOH ali KOH, ki sta zadosti topni, ne preveč korozivni in cenovno dosegljivi.

14 Ročni ventil Izpihavanje Regulator nizkega tlaka H 2 VSTOP KOH IZSTOP Alkalna gorivna celica Min. 30 mm Vhod A KOH Izhod B Toplotni izmenjevalnik Presežek H 2 H 2 IZSTOP KOH VSTOP Izhod A Vhod B Črpalka H 2 O Ventilator Filter Črpalka KOH Izstop zraka Lovilnik tekočine CO 2 absorber Puhalo Vstop zraka

15

16

17

18 U=f(I) P=f(I) U [V] P [W] I [A] b) Izmerjena bremenska karakteristika (T=50ºC), Elektrolit: 7 molarni KOH

19 Ostale izvedbe gorivnih celic Gorivna celica s fosforno kislino (ang. Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC). Gorivna celica s staljenim karbonatom (ang. Molted Carbonate - MCFC). Gorivne celice s trdnim oksidom (ang. Solid Oxide Fuel Cells - SOFC).

20 Gorivna celica Elektrolit Gorivo Katodni plin Delovna temperatura Uporaba Alkalna gorivna celica (AFC) KOH Vodik Kisik C Vesolj. tehnika PEM elektrolizna celica Membrana iz polimera Vodik Kisik v zraku C Transportna vozila, stac. nap. postaje... Metanolna GC Membrana iz polimera Metanol Kisik v zraku C Transportna vozila, stac. nap. postaje.. GC s fosforno kislino Fosforna kislina Vodik Kisik v zraku 200 C Stac. nap. postaje, soproizvodnj a toplote GC s staljenim karbonatom Staljeni Karbonat Vodik, metan Kisik v zraku 650 C Stac. nap. postaje, soproizvodnj a toplote GC s trdnim oksidom Keramični elektrolit Vodik, metan Kisik v zraku C Stac. nap. postaje, soproizvodnj a toplote

21 Vrsta gorivne celice PEMFC PAFC MCFC SOFC Elektrolit Membrana za izmenjavo protonov Fosforna kislina Stisnjen ogljik Trdni keramični oksid Delovna remperatura Materiali za glavne sestavne dele celice Ogljik Grafit Nerjavno jeklo Kalcijev titanat Izkoristek (%) Stanje v razvoju gorivnih celic (leto 2004) Do 250 kw Že delujejo enote z močjo med 200 in 250 kw Laboratorijske enote z močjo do 2 MW Laboratorijske enote z močjo do 100 kw

22 Napetost odprtih sponk Gibbsova razpoložljiva energija Definicija: G je razpoložjiva energija za opravljanje dela, pri tem pa ne upoštevamo dela, ki je opravljeno za spremembe tlaka oz. volumna Pri gorivni celici je G električna energija

23 G = izmenjava dela nekega sistema z okolico med reverzibilno transformacijo končno stanje je enako začetnemu. Pri tem ne upoštevamo dela, ki se porabi za spremembo tlaka. Gibbsova energija je merilo koristnega dela, ki ga dobimo iz sistema (pri konstantni temperaturi in tlaku)

24 V elektrokemiji računamo potrebno energijo na mol snovi Primer: (g) H2O specifična Gibbsova energija za tvorbo vode Teorija: 1 mol elektronov vsebuje N = 6, elektronov (Avogadrovo število) Naboj 1 mola elektronov: F = N e = As (Faraday-eva konstanta)

25 Izračun napetosti pri gorivni celici: 2H 2 + O 2 2H 2 O III H 2 + 0,5 O 2 H 2 O Gibbsova razpoložljiva energija: g = g g ( produktov) ( reaktantov)

26 Pri gorivni celici: Reaktanta: vodik, kisik Produkt: voda g = g g 1 ( H O) ( H 2 ) ( O2 ) 2 2 g g ni konstanta! g = f(t)

27 Agr. stanje vode (produkt) Tekoče Tekoče T ( C) g (kj/mol) -237,2-228,2 Plin Plin Plin Plin Plin Plin Plin ,1-225,2-220,3-210,3-199,6-188,6-177,4

28 Izračun napetosti odprtih sponk: pri vsaki molekuli H 2 se sprostita dve elektrona 1 mol H 2 2N elektronov 2Ne = 2F El. delo: A el = Q U Če je sistem reverzibilen (brez izgub), je sprememba Gibbsove energije: g = 2F U

29 U g = 2 F Primer: Če gorivna celica deluje pri 25 C: U = Jmol As 1 = 1,2292 V 1,23V

30 Pridobivanje vodika z elektrolizo Fotoliza Elektroliza kislih in bazičnih raztopin: Ob katodi: Ob anodi: 2H + + 2e H 2 4OH 2H 2 O + O 2 + 4e

31 Elektrolizna celica z membrano iz polimera 4e - O 2 (+) (-) H 2 2H 2 O 4H + + 4e - + O 2 4H + 4H + + 4e - 2H 2 Voda Membrana za izmenjavo protonov Kisikova elektroda (anoda) Vodikova elektroda (katoda)

32 Eksperimentalna PEM elektrolizna enota Anodna stran bipolarne plošče v elektrolizni enoti

33 Sistem za vodenje postopka PEM elektrolize Separacija H / H O 2 2 H 2 Separacija O / H O 2 2 Molekularno sito V5 V4 150 C OS3 Indikator OS4 OS1 OS2 Vodno hlajenje T 1 EM3 EM2 O 2 Indikator visine H O 2 Sklopi: PEMEC Utekocinjenje vodne pare PEMEC Regulirani vir enosmerne napetosti Regulirani vir enosmerne napetosti H O IN 2 H O OUT 2 T 2 Separatorji voda/plin EM1 Crpalka 1 Crpalka 2 Hladilni sistem Regulacija nivoja vode H O 2 Čiščenje vodika

34 Eksperimentalni sistem s PEM elektrolizno enoto

35 Razvlaževanje in čiščenje vodika Tehnološka shema očiščen H 2 izpih RPV izpih RPV H 2 (iz elektrolizne enote) molekularno sito molekularno sito grelnik hladilni tokokrog (voda) stainless steel mreža kondenzat (voda) izpust kondenzata hladilni tokokrog (voda) RPV... reducirni ventil

36 Izvedba

37 Razvlaževanje in čiščenje vodika Rezultati Relativna vlažnost vodika na vstopu v sistem za razvlaževanje: % Relativna vlažnost vodika na izstopu: 0,05% (temperatura rosišča: od -50 C do -60 C; 40 do 10 PPM) Zahtevana čistost vodika za shranjevanje v MH: 99,99% 100 PPM 99,999% 10 PPM

38 Naslednji korak: PEM gorivna celica Bipolarna plošča za PEM gorivno celico

39 Elektrolizna celica z alkalno membrano Elektrolit je tekoči 25% KOH, elektrodi pa sta izdelani iz niklja, ker ga bazične snovi ne raztapljajo.

40 Elektrolizna celica z membrano za izmenjavo protonov, ki proizvaja 10 m 3 na uro s čistostjo 99,999%

41 Alkalna elektrolizna celica, ki proizvaja 25 m 3 uro s čistostjo 99,5% vodika na

42 Primeri uporabe gorivnih celic Daimler - Chrysler (serija A) Moč - 55 kw, najv. hitr km/h, doseg km

43 Vodik v vozilih javni transport Nazivne vrednosti: Št. potnikov Gorivo Doseg Moč Kol. vodika Čas polnjenja Izpust 30 sed./največ 70 Stisnjen vodik 200 km 190 kw 40 kg (9 posod na strehi) 10 do 20 minut Vodna para

44 Gorivna celica s trdnim oksidom Električna moč je 1 kw, toplotna moč 2 kw (izkoristek 90 %, z upoštevanjem soproizvodnje (ang. Cogeneration

45 Gorivna celica s trdnim oksidom moči 100 kw

46 Gorivna celica s fosforno kislino z močjo 200 kw (Ballard)

47 Mala elektrarna z gorivno celico (moč 250 kw)

48 Razvoj gorivnih celic: 100 W/liter - levo (1989) 1100 W/liter - desno leta (1996) 1300 W/liter leta 2000 (na sliki ni prikazana) 1470 W/liter leta 2005 (na sliki ni prikazana)

49

50

51

52

53 IZKORISTEK (%) ELEKTRIČNA M OČ (kw) Primerjava območij moči in izkoristkov pretvorbe primarne energije goriv v električno energijo krožnih procesov in gorivnih celic

54 TOPLOTNI STROJ GORIVNA CELICA 100 kemična notranja energija goriva kemična pretvorba toplota mehanska pretvorba mehansko delo kemična notranja energija goriva elektrokemična pretvorba Izkoristek η / % Gorivne celice - teoretično Carnot električna pretvorba električna energija električna energija Temperatura / C Primerjava energijskih pretvorb in izkoristkov v toplotnem stroju in gorivni celici

55 Solarni modul Napetostna prilagoditev Elektrolizna celica Shranjevalnik vodika PEM gorivna celica = = H 2 O H 2 H 2 PEM Vetrnica = Razsmernik Javno elektro omrežje 230 V 50 Hz Porabnik: Zbiranje vode Filtriranje vode Čiščenje vode z reverzno osmozo Dezinfekcija vode Distribucija vode

56

57

58

59

60

61 Vodik Obnovljiv vir električne energija (100 kwh) El. energija AC/DC pretvorba (95%, 95 kwh) Elektroliza (75%, 71 kwh) Prenos preko el. omrežja (90%, 90 kwh) Stiskanje (90%, 64 kwh) Transport (80%, 51 kwh) Gorivna celica (50%, 26 kwh) El. pogon vozila (90%, 23 kwh) Utekočinjenje (65%, 46 kwh) Transport (90%, 42 kwh) Gorivna celica (50%, 21 kwh) El. pogon vozila (90%, 19 kwh) AC/DC pretvorba in polnjenje akumulatorjev (85%, 77 kwh) El. avtomobil z regenerativnim zaviranjem (90%, 69 kwh)

62 Kako naprej? Cilji razvoja PEM gorivnih celic do leta 2010: Življenjska doba: 5000 ur delovanja Spodnja temperatura delovanja: - 30 C Gostota moči: 2500 W/l Cena: 30 USD/kW Vir: Ballard, Kanada

63

64