Domov | Kontakt | Natisni  | English   Trenutno niste prijavljeni | Nov uporabnik
PARTNERJI SIHFC
SIHFC
Pobreška cesta 20
SI-2000 Maribor

T: +386 2 333 13 50
F: +386 2 333 13 51
E: info@sihfc.si
W: www.sihfc.si
Domov :: Znanje :: O gorivnih celicah Natisni
O gorivnih celicah
Uvod
Človeštvo je doslej poleg sončne in jedrske uporabljalo kemične in biokemične vire energij. Če vzamemo ogljikovodike, smo uporabljali na zgodovinski časovni skali najprej les, nato pa premog, nafto in zemeljski plin, se pravi vire, v katerih delež vodika narašča.
Če se gibljemo po tej logični poti naprej, pridemo do čistega vodika, ki je najmočnejše in na srečo tudi najčistejše kemično gorivo in ki ga je mogoče pridobiti iz različnih obnovljivih virov, zlasti iz vode in biomase. Zato vodik ni le gorivo temveč predvsem energetski prenosnik (vektor).

Gorivo Vsebnost H2 (%) Kalorična vrednost (MJ/kg) Emisija delcev (g/MJ) Relativna emisija CO2
Les (suh) 5 16,0 2,25 100
Premog 50 23,2 2,15 31
Nafta 67 44,2 0,08 21
Zemeljski plin 80 52,3 <10-5 15
Vodik 100 141,8 0,0 0

Za pretvorbo kemične energije vodika v druge oblike energije obstaja več poti. Ena najbolj učinkovitih je direktna pretvorba kemične energije goriva v električno in toploto z elektrokemičnimi členi na gorivo, t. i. gorivnimi celicami.
Poznanih je več tipov gorivnih celic. V spodnjih tabelah so razvrščene po vrsti elektrolita, ki ga uporabljajo, in po temperaturi, pri kateri obratujejo.

  • AFC - Alkaline Fuel Cell (alkalna gorivna celica);
  • PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell (gorivna celica s protonsko prevodno membrano);
  • PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell (gorivna celica s fosforno kislino);
  • MCFC - Molten Carbonates Fuel Cell (gorivna celica s taljenimi karbonati);
  • SOFC - Solid Oxide Fuel Cell (oksidna gorivna celica);
  • DMFC - Direct Methanol Fuel Cell (metanolna gorivna celica).

Tip Elektrolit Nosilec naboja Delovna temperatura (°C)
AFC Raztopina KOH OH- 50-90
PEMFC Polimerna membrana H+ 50-95
PAFC H3PO4 H+ 190-210
MCFC Li2CO3/K2CO3 CO32- 630-700
SOFC ZrO2 stab. z Y O2- 900-1000
PEM gorivne celice (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
Med vsemi tipi gorivnih celic najpogosteje srečamo PEM gorivne celice, verjetno zato, ker jih je relativno enostavno narediti in so tudi najpogosteje uporabljene za različne namene.
Te nizkotemperaturne celice delujejo pri temperaturah med 4 in 90 °C, pri tlaku med 3 in 5 bar. Gorivo je čisti vodik, oksidant pa kisik ali zrak. Celica deluje le, če membrana vsebuje dovolj vode, ki ji zagotavlja protonsko prevodnost.

Princip delovanja

Kliknite za ogled večje slike Osnovna enota gorivne celice je sestavljena iz pozitivne elektrode (katode) in negativne elektrode (anode), med katerima je umeščen ionski prevodnik (elektrolit). Plinsko-difuzijski elektrodi sta običajno sestavljeni iz difuzijskega sloja in iz katalitskega sloja. Difuzijski sloj je tanek porozni material (blago iz ogljikovih vlaken ali ogljikov papir), ki zagotavlja enakomerno porazdelitev plinskih reaktantov (vodika ali kisika) po površini katalitskega sloja elektrode. Ta je sestavljen iz mikroporoznega sloja, v katerem je glavna komponenta katalizator, močno dispergirana kovina na nosilcu (običajno Pt na aktivnem oglju).
Na stiku treh faz v katalitskem sloju (plina, elektrolita in katalizatorja) potekajo osnovne elektrokemične reakcije, ki omogočajo pretvorbo spremembe proste entalpije reakcije med gorivom in oksidantom v električni tok. Za pline neprepustna protonsko prevodna membrana omogoča transport protonov od anode h katodi, električno prevodne komponente v katalitskem sloju in difuzijskem sloju (aktivno oglje in ogljikova vlakna) pa omogočajo transport elektronov po zunanjem tokokrogu preko električnega bremena.

PEM gorivna celica in sklop gorivnih celic

Kliknite za ogled večje slike Sklop PEM gorivnih celic je sestavljen iz zaporedno vezanih posameznih PEM gorivnih celic, t.j. elektrodno-membranskih sklopov, ki jih povezujejo bipolarne plošče. Te so narejene iz električno prevodnega, za pline neprepustnega materiala, v katerega so vtisnjeni kanali za dovod plinov: z ene strani vodika in z druge strani kisika (zraka).
Na sliki so prikazani osnovni ponavljajoči se elementi sklopa gorivnih celic. Zaradi sproščanja toplote med reakcijo je potrebno sklop hladiti. To je običajno izvedeno tako, da se na vsakih nekaj zaporedno vezanih gorivnih celic umesti hladilni element. Poleg tega se sklop in drugi sestavni deli sistema hladijo še kot celota.
Sklop PEM gorivnih celic je kompleksen sistem, ki zahteva natančno regulacijo pretoka reaktantov (vodika, kisika oziroma zraka), regulacijo dovoda vode za vlaženje vstopajočih plinov in odvoda na katodi nastale vode kot reakcijskega produkta, regulacijo temperature posameznih gorivnih celic in celotnega sklopa. Sklop mora imeti kratek zagonski čas in hiter odziv na zahtevane spremembe moči.
SOFC gorivne celice (Solid Oxide Fuel Cell)
Princip delovanja oksidnih gorivnih celic je zelo podoben delovanju PEM gorivnih celic, le da imamo drugačen ionski tok, zaradi česar se razlikujejo reakcije na elektrodah. Delujejo pri bistveno višjih temperaturah (900-1000°C). Pri tako visokih temperaturah ne potrebujemo dragih katalizatorjev za sprožitev elektrokemičnih reakcij.

Kliknite za ogled večje slike Kot gorivo lahko uporabljamo kar ogljikovodike, saj se dekompozicija goriva izvaja neposredno na anodi pri visoki temperaturi (t.i. "internal reforming"), brez ločenega reformerja (procesorja za gorivo). Izkoristek pretvorbe je zaradi direktne dekompozicije goriva na anodi dober tudi pri uporabi fosilnih goriv ali goriv pridobljenih iz biomase. Ogljikov monoksid pri reakciji ne nastopa kot element, ki zastruplja celico, ampak kot gorivo.

Podobno kot pri PEM gorivnih celicah tudi SOFC gorivne celice povezujemo v različno velike sklope, ki kot kompleksen sistem zahteva natančno regulacijo pretokov goriva, zraka in produktov. Izvedbe sklopov so v obliki planarnih (ploščatih) elementov (manjše moči), ali cevnih elementov (večje moči).
Presežna toplota elektrokemične reakcije je na razpolago pri dovolj visoki temperaturi, da je lahko na voljo kot ogrevna ali procesna toplota, zato je ta tip gorivnih celic primeren predvsem za stacionarne kogeneracijske sisteme.
Prijava uporabnika
Uporabnik
Geslo
 
Pozabljeno uporabniško ime in/ali geslo - pozabljeno
Nov uporabnik - registracija 
Prednosti registracije
- prejemanje obvestil o novostih, aktivnostih in projektih TECES ali SIHFC;
- možen dostop do zaščitenih vsebin portala;
- več nivojni dostop do podatkov internega portala;
Nov uporabnik - registracija 
Domov | Kontakt | Natisni  | English © 2001-2015 TECES. Vse pravice pridržane. | Pogoji uporabe | Varovanje zasebnosti | Nivoji dostopa