UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO

ODDELEK .ZA FIZIKO

Matija Dmitrovič Petrič

SEMINARSKA NALOGA

Gorivne celice

MENTOR: Gorazd Lampič

Ljubljana, marec 2008

2

Kazalo

1. Uvod .................................................................................................................................... 3

1.1 Motivacija za delo na področju gorivnih celic ............................................................ 3

1.2 Kratka zgodovina ......................................................................................................... 3

2. Princip delovanja gorivne celice ......................................................................................... 4

2.1 Elektroliza .................................................................................................................... 4

2.2 Gorivne celice .............................................................................................................. 5

2.3 Gorivo .......................................................................................................................... 6

2.4 Napetost gorivne celice ............................................................................................... 6

2.5 Odvisnost napetosti od toka ......................................................................................... 8

2.6 Gostota električnega toka ............................................................................................ 9

2.7 Prevodnost elektrolitov .............................................................................................. 10

2.8 Izkoristek gorivne celice ............................................................................................ 10

2.9 Povzetek delovanja gorivne celice ............................................................................ 12

3. Tipi gorivnih celic in njihova uporaba .............................................................................. 13

3.1 PEM gorivne celice (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) .................................. 14

3.2 Princip delovanja ....................................................................................................... 14

3.3 PEM gorivna celica in sklop gorivnih celic ............................................................... 15

4. Zaključek .............................................................................................................................. 15

5. Viri ....................................................................................................................................... 16

3

1. Uvod

V seminarju bom obravnaval princip delovanja in karakteristike gorivnih celic. Ta

tema je interdisciplinarna, saj poleg fizikalnih pojavov opisuje tudi kemijske. Na začetku bom

natančno predstavil delovanje običajne gorivne celice in parametre, od katerih je odvisna

učinkovitost energijske pretvorbe kemične energije v električno. Na koncu bom naštel

različne tipe gorivnih celic in bolj podrobno opisal PEM gorivne celice (Proton Exchange

Membrane Fuel Cell), ki jih srečamo največkrat in so najbolj primerne za uporabo v osebnih

vozilih.

1.1 Motivacija za delo na področju gorivnih celic

Motorji z notranjim zgorevanjem s svojimi izpusti prispevajo skoraj polovico vseh

toplogrednih plinov, ki povzročajo segrevanje našega ozračja. Prav tako prispevajo velik

delež ostalih plinov, ki onesnažujejo naše okolje. Zaradi industrijske revolucije v azijskih

državah se bo stanje še poslabšalo. V zahodni Evropi in ZDA je avtomobilov približno pol

toliko kot ljudi, na Kitajskem pa ima za sedaj avto le vsak stopetdeseti Kitajec, podobno je

tudi v vseh drugih azijskih državah razen Japonske. Če se bo delež avtomobiliziranih Azijcev

povečal, se bo skupno število avtomobilov v svetu vsaj podvojilo, kar lahko privede do

ekološke katastrofe. Zato je nujno potrebno poiskati nove ekološko sprejemljive tehnične

rešitve, ki bodo pripomogle k zmanjševanju onesnaževanja.

Alternativo motorjem z notranjim zgorevanjem predstavljajo gorivne celice, ki energijo

proizvajajo na ekološko sprejemljiv način. Kot gorivo uporabljajo vodik ali spojine, ki ga

vsebujejo, ter kisik iz zraka. Stranski produkt takega motorja je lahko le voda, ki pa okolju ni

škodljiva. Poleg tega imajo gorivne celice tudi večji izkoristek, kot motorji z notranjim

zgorevanjem. Zaradi potrebe po zmanjšanem onesnaževanju okolja in manjši porabi fosilnih

goriv predvidevam, da bodo že v bližnji prihodnosti (5 do 10 let) gorivne celice začele v

večjem obsegu nadomeščati motorje na notranje izgorevanje.

1.2 Kratka zgodovina

Princip delovanja gorivne celice je leta 1838 odkril nemški znanstvenik Christian

Friedrich Schönbein. Po njegovi ideji jih je razvil Sir William Grove leta 1843, vendar so bile

vse do vesoljskih poletov pozabljene zaradi visoke cene. Vesoljski program Gemini je

uporabljal membranske gorivne celice, program Apollo pa alkalne. Velike težave Apolla 13

so znane (kmalu bi se končale s katastrofo), ko se zaradi izgube kisika iz rezervoarja z

gorivnimi celicami ni dalo proizvajati električne energije. Space Shuttle je za proizvodnjo

elektrike uporabljal alkalne gorivne celice. Razvoj gorivnih celic za uporabo na Zemlji se je

začel šele v devetdesetih. Pionirja sta podjetji IFC iz Connecticuta (joint venture Toshibe in

United Technologies, ki izdelujejo gorivne celice za Space Shuttle) in Ballard iz Kanade.

Ballard se je združil z DaimlerChryslerjem in Fordom za proizvodnjo gorivnih celic za

avtomobile. Vsi večji izdelovalci so že naredili prototipe ali resno delajo na tem.

4

2. Princip delovanja gorivne celice

V tem poglavju bom predstavil delovanje tipične gorivne celice. Zaradi lažjega

razumevanja bom začel s pojavom elektrolize, ki je obratni pojav od tistega, ki se dogaja v

gorivni celici. V nadaljevanju bom predstavil od česa sta odvisna napetost in električni tok, ki

določata moč gorivne celice.

2.1 Elektroliza

Dogajanju v gorivnih celicah je zelo soroden pojav elektrolize, zato si ga podrobno

oglejmo. Elektrokemično celico prikazuje slika 1.

Slika 1: Elektrokemična celica

Slika 1 prikazuje sestavne dele tipične elektrokemijske celice. V vodno raztopino

2CuCl sta potopljeni bakreni elektrodi. 2CuCl se v vodi raztopi na pozitivne in negativne

ione, katerih gibanje je označeno s puščicama. Električni krog je sklenjen preko vira

napetosti, upornika in ampermetra. Namesto 2CuCl lahko uporabljamo katerokoli elektrolit,

to je snov, ki v vodni raztopini tvori ione. Pozitivne ione imenujemo kationi, negativne pa

anioni.

Ko sklenemo električni krog začne po žicah teči tok elektronov, po elektrolitu pa tok

ionov. Negativni Cl ioni potujejo proti pozitivni elektrodi (anodi). Na elektrodi oddajo

elektron (proces oksidacije), nastane klorov atom, ki se s sosednjim združi v molekulo klora ( 2Cl ).

Reakcijo lahko zapišemo v obliki (1).

eClCl 22 2 (1)

Pozitivni 2Cu ioni se gibljejo proti negativni elektrodi (katodi), kjer poteka reakcija redukcije (2).

02 2 CueCu (2)

Za čim boljše in hitrejše delovanje je zelo pomembno območje med elektrolitom in elektrodo,

kjer pride do kemijskih reakcij in prenosa naboja.

anoda katoda

5

2.2 Gorivne celice

Gorivne celice so vrsta galvanskega člena za neposredno pretvarjanje notranje

(kemične) energije v električno delo. Ker gorivne celice notranje energije ne spremenijo v

toploto, kakor motorji z notranjim zgorevanjem, je njihov izkoristek večji, okoli 80 %.

Energijsko vsebnost ogljikovodikov lahko gorivna celica izkoristi bistveno bolje kakor

motorji z notranjim zgorevanjem. Najpreprostejša je kisik-vodikova gorivna celica z dvema

poroznima elektrodama. Eni elektrodi stalno dovajajo plinasti kisik, drugi pa vodik. Vodik se

na elektrolitu s katalizatorjem (platina - Pt) razcepi na protone in elektrone. Skozi elektrolit

prehajajo samo protoni, saj ni prevoden za elektrone, kar rezultira v pozitivni napetosti na

drugi strani, elektroni pa ostajajo na levi, kjer povzročijo negativno napetost. Tako se med

ploščama ustvari razlika potencialov oziroma nastane električna energija. Izenačevanje

potenciala poteka prek zunanjega električnega tokokroga. Elektroni pri tem opravljajo

električno delo. Delovna napetost znaša pri specifični obremenitvi 100 mW/cm2 okoli 0,8 V,

brez obremenitve pa 1,3 V.

Slika 2: Princip delovanja gorivne celice

Gorivne celice torej delujejo ravno obratno od elektrolize. Če bi med elektrolizo

odstranili vir napetosti in ga zamenjali z voltmetrom, bi voltmeter še vedno kazal napetost

okoli enega volta z obrnjenim predznakom. Če bi namesto voltmetra uporabili upornik in

ampermeter, bi izmerili neničelen električni tok. Ta tok in napetost sta posledici obratnih

reakcij, ki potekajo na elektrodah. Če bi uporabili vodno raztopino vodika in klora bi vodik

oksidiral v hidroksilne ione, odvečni elektroni bi po električnem krogu prišli na drugo

elektrodo in reducirali klor v kloridne ione (v gorivnih celicah namesto klora uporabljamo kar

kisik iz zraka). V opisanem primeru tako stanje ne bi trajalo dolgo, saj sta vodik in klor v vodi

le delno topna in bi ju kmalu zmanjkalo. Električni tok in napetost bi lahko vzdrževali tako,

da bi plina vpihavali na elektrodi (Slika 3).

6

Slika 3: Obrnjena elektroliza in vpihavanje plinov na elektrodi.

Slika 3 je podobna sliki 1, le da nimamo vira napetosti, ampak na elektrodi vpihavamo vodik

in klor, obenem pa merimo padec napetosti na uporu.

2.3 Gorivo

Različne gorivne celice uporabljajo različne vrste goriv, vendar je princip delovanja

vedno enak. Najbolj razširjene gorivne celice uporabljajo vodik kot gorivo, kisik iz zraka pa

kot oksidant. Reakciji na anodi in katodi sta v tem primeru:

eOHHOH 222 322 (4)

in OHeOHO 232 3222

1 (5)

Skupno reakcijo pa lahko zapišemo kot:

OHOH 2222

1 + električna energija + toplota (6)

Na anodi vodik in voda katalizirata v pozitivne hidroksilne ione in elektrone.

Hidroksilni ioni potujejo po elektrolitu do katode, elektrone pa speljemo po zunanjem

tokokrogu, kjer opravijo električno delo. Na katodi se kisik spoji s hidroksilnimi ioni in

elektroni, ki pridejo iz tokokroga, tako da kot produkt dobimo le vodo.

Prednost uporabe teh elementov je uporaba kisika iz zraka, tako da težave nastanejo

zgolj pri pripravi in shranjevanju vodika. Obeh elementov je v naravi dovolj, problem je le, da

je vodik vezan v spojinah in ga je treba najprej pridelati, za kar potrebujemo energijo. Velika

prednost pa je tudi z ekološkega vidika, saj je edini stranski produkt le pitna voda.

2.4 Napetost gorivne celice

Pri gorivni celici je zelo pomembna moč, ki jo celica lahko proizvede. Električna moč

je odvisna od električnega toka, ki teče skozi celico in od napetosti med elektrodama.

Poglejmo kakšen je potencial elektrod oziroma električna napetost med elektrodama.

Največjo napetost dobimo, če teče skozi gorivno celico zelo majhen električni tok, kar

dosežemo tako, da elektrodi sklenemo preko voltmetra, ki ima zelo velik upor.

7

Če na levi elektrodi poteka kemijska reakcija, ki jo prikazuje enačba (7) in na desni

elektrodi reakcija (8), potem za napetost leve elektrode, glede na desno, velja enačba (9).

...... RrOo ne (7)

...... PpQq ne

(8)

p

P

o

O

r

R

q

Q

aa

aa

nF

RTEE ln0 (9)

F je Faradejeva konstanta, produkt osnovnega naboja in Avogadrovega števila, ki znaša

mol

C96485 , R je plinska konstanta, njena vrednost je

Kmol

J

314,8 , T predstavlja absolutno

temperaturo, n valenco ionov v reakciji, črka a pa označuje aktivnosti. Za pline lahko

aktivnosti izračunamo kot kvocient med delnim tlakom izbranega plina in normalnim zračnim

tlakom (100 kPa). Aktivnosti raztopin so, do korekcijskega faktorja ( ), ki nastopi pri višjih

koncentracijah in je specifičen za vsako raztopino, enake kvocientu molske koncentracije in

arbitrarno določene koncentracije 3

1000m

mol. Aktivnosti trdnih snovi so enake ena.

Najbolj nas zanima količina E , ki jo imenujemo Galvanijev potencial, ali kar napetost

gorivne celice, ker se izmed vseh napetosti najbolj pogosto uporablja. E je torej napetost

med elektrodama. 0E je Galvanijev potencial pri standardnih pogojih, ki ga izračunamo po

enačbi (10). Zadnji člen enačbe (9) predstavlja popravek pri pogojih, ki se razlikujejo od

standardnih. Torej pri nestandardni temperaturi in aktivnostih reaktantov.

nF

GK

nF

RTE

00 )ln(

(10)

K je konstanta ravnovesja pri reakciji (11), 0G je razlika proste entalpije reaktantov in

produktov.

Celotno kemijsko reakcijo prikazuje enačba (11)

RrQqPpOo (11)

Napetost med elektrodama je torej odvisna predvsem od razlike proste entalpije reaktantov in

produktov. Popravek k tej vrednosti pa prinesejo aktivnosti posameznih snovi vpletenih v

reakcijo. Če se produkt aktivnosti poveča za en velikostni razred (10 krat), se napetost poveča

za 0,059/z voltov, pri čemer je z naboj ionov ali število prenesenih elektronov pri vsaki

reakciji.

Zanimivo je dejstvo, da napetosti na posamezni elektrodi ne moremo izmeriti

neposredno. Če bi uporabili voltmeter in bi en priključek postavili na elektrodo, drugega pa v

elektrolit blizu elektrode, bi drugi priključek deloval kot nova elektroda. Temu problemu se

izognemo tako, da definiramo standardno elektrodo, in izmerimo napetosti vseh ostalih

elektrod v kombinaciji s to elektrodo. Če merimo napetost med dvema elektrodama, omenjeni

problem ne igra več vloge. Za standardno elektrodo je določena platinasta elektroda na katero

dovajamo vodik v plinastem stanju. Napetost gorivne celice pri standardnih pogojih nato

8

izračunamo kot razliko napetosti reakcije na levi elektrodi in desni elektrodi. Te napetosti so

odvisne od vrste kemičnih reakcij in so običajno okoli 1 V.

Ker v praksi rabimo večje napetosti, lahko več gorivnih celic vežemo zaporedno. Tak

postopek je zelo pogost, saj so posamezne gorivne celice zelo tanke (manj kot 1 cm), moč na

enoto mase pa je pri manjšem deležu ohišja tudi večja.

2.5 Odvisnost napetosti od toka

Napetost med elektrodama je odvisna tudi od toka skozi celico. Elektrolit deluje kot

upornik zato na njem opazimo padec napetosti. Tovrstne izgube imenujemo omska

polarizacija. Za čim boljši izkoristek gorivne celice, je pomembno, da ima elektrolit čim večjo

prevodnost za ione in da je čim tanjši. Pričakovali bi linearno padanje napetosti s tokom,

vendar sta pomembna še dva druga vpliva. Pri majhnih odmikih od standardnega

Galvanijevega potenciala je prenos elektronov po elektrodah neučinkovit, zato napetost pada

eksponentno s tokom (aktivacijska polarizacija). Pri velikih tokovih pa pridemo do meje, ko

ni možno učinkovito dovajanje reagentov na elektrodi (koncentracijska polarizacija). Na

vmesnem območju je padanje res linearno. Odvisnost napetosti od toka prikazuje slika 4.

Slika 4: Napetost v odvisnosti od toka.

Na abscisi je električni tok (jakost toka je odvisna od lastnosti celice, kot so materiali,

priprava materialov, dimenzije in podobno), na ordinati je napetost.

9

2.6 Gostota električnega toka

Pri računanju moči, ki jo proizvaja gorivna celica, je pomembna tudi jakost

električnega toka ali, če računamo na enoto površine, gostota električnega toka (j), ki teče

skozi gorivno celico. Gostota električnega toka je odvisna od hitrosti kemijskih reakcij. Če v

istem času oksidira več goriva in se reducira več zraka, dobimo večji pretok elektronov.

Poglejmo kako so moč celice, napetost in izkoristek odvisni od toka skozi celico, kar

prikazuje slika 5.

Slika 5: Moč, napetost in izkoristek v odvisnosti od toka skozi gorivno celico.

Napetost s tokom pada, medtem ko se moč do neke meje povečuje. Izkoristek najprej raste

sorazmerno z močjo, vendar nato zaradi padanja napetosti začne padati.

Gostota električnega toka je izrazito odvisna od materiala elektrode. To prikazuje

tabela 1.

Tabela 1: Gostota električnega toka pri različnih elektrolitih in elektrodah

V tabeli 1 so zbrani podatki o gostoti električnega toka (j), pri različnih kemijskih reakcijah,

na različnih elektrodah in pri različnih elektrolitih. Opazna je velika razlika v gostoti

električnega toka.

10

2.7 Prevodnost elektrolitov

Pri gibanju iona v raztopini sta najbolj pomembni električna sila in sila upora. Če ju

izenačimo, lahko izračunamo največjo hitrost, s katero se giblje ion.

Eur

Eezv

6

0

max (12)

z je število osnovnih nabojev, ki jih nosi ion, r je polmer iona in molekul, ki so nanj

vezane, pa je viskoznost raztopine. u je koeficient med jakostjo električnega polja in

največjo hitrostjo iona.

Gostota električnega toka je enaka produktu hitrosti ionov (kot zadovoljiv približek

vzamemo kar največjo hitrost), števila ionov in naboja posameznega iona. Da dobimo čim več

električne energije, mora biti gostota električnega toka čim večja, saj tako v nekem času

reagira večja množina snovi in ustvari več energije. Na prvi pogled bi rekli, da je prevodnost

raztopin z bolj nabitimi ioni večja, kot tistih z npr. le enim osnovnim nabojem viška ali

manjka. Pravzaprav ni tako, saj ioni z večjim nabojem privlačijo več molekul topila, tako da

je polmer kompleksnega iona in nanj vezanimi molekulami topila, tudi primerno večji.

Molarne prevodnosti posameznih, v vodi raztopljenih ionov, so zbrane v tabeli 2.

Tabela 2: Mobilnosti posameznih ionov v razredčenih vodnih raztopinah

00 in sta mobilnosti ionov ( u iz enačbe 12), pomnoženi s številom osnovnih nabojev iona

in Faradayevo konstanto. Večja je mobilnost, več energije dobimo v nekem časovnem

intervalu.

Razlog za visoko prevodnost raztopin s hidroksilnimi ioni tiči v dejstvu, da naboja ne

prenaša en sam ion, ampak se pozitivni naboj seli med različnimi skupki vodnih molekul.

2.8 Izkoristek gorivne celice

Pri kemijski reakciji je največje delo, ki ga je moč dobiti, enako razliki proste entalpije

reaktantov in produktov. Idealni izkoristek energijske pretvorbe pri kemijski reakciji je

kvocient spremembe proste entalpije in spremembe entalpije. Prosto entalpijo lahko zapišemo

11

kot razliko entalpije in produkta absolutne temperature ter spremembe entropije. Tako za

izkoristek gorivne celice ( GC ) dobimo enačbo 13.

H

ST

H

GGC

1 (13)

Sprememba entalpije je negativna količina, sprememba entropije pri kemijskih

reakcijah, ki nas zanimajo, pa običajno tudi. V tabeli 3 so prikazane spremembe entalpij in

prostih entalpij ter izkoristek za posamezne reakcije. Zanimivo je, da je izkoristek lahko celo

večji od ena. To pomeni, da reakcija srka toploto iz okolice.

Tabela 3: Sprememba entalpij, sprememba prostih entalpij in napetosti ter izkoristki pri

posameznih reakcijah.

V tabeli 3 so navedene spremembe entalpij in prostih entalpij produktov in reaktantov pri

kemijskih reakcijah pri različnih tipih gorivnih celic. Poleg omenjenega pa sta izračunana še

napetost celice in izkoristek.

Za najbolj zanimive reakcije lahko po enačbi 13 izračunamo idealne izkoristke pri

različnih temperaturah. Izkoristki so lahko večji od 100%, zato je potrebno vedeti, da ne gre

za izkoristek znotraj samega sistema gorivne celice, ampak da v nekaterih primerih dodatna

toplota pride iz okolice (v primerih, kjer je izkoristek večji od 100%).

Poglejmo si primerjavo idealnih izkoristkov gorivnih celic in toplotnih strojev. Kot

primer navajam najbolj običajno gorivno celico, ki troši vodik in toplotni stroj, ki oddaja

toploto pri temperaturi 50 stopinj Celzija.

Slika 6: Primerjava izkoristkov gorivnih celic in motorjev na notranje izgorevanje pri

različnih temperaturah.

Slika 6 prikazuje približno razmerje med učinkovitostjo idealne 22 /OH gorivne celice in

idealnim toplotnim strojem.

12

2.9 Povzetek delovanja gorivne celice

Gorivo dovedemo v bližino anode, kjer oksidira (odda elektron). Ta elektron potuje po

elektrodi in žicah, preko porabnika do katode. Pozitivni ion (kation), ki ostane po oksidaciji,

recimo H , preko elektrolita potuje do katode. Na katodi se združijo elektron, omenjeni ion

( H ) in kisik, ki ga dovajamo v bližino katode. Nastane voda, ki jo odvedemo. Celotno

reakcijo lahko zapišemo kot OHOH 2222

1 , energija, ki se ob tem sprosti, pomnožena z

izkoristkom, se porabi za opravljanje električnega dela, npr. pogon elektromotorja.

Ključni stvari pri delovanju gorivne celice sta izbira in priprava materialov. Stični

površini med anodo, elektrolitom in gorivom ter katodo elektrolitom in reducentom, morata

biti čim večji. Na večji površini se lahko v enakem času zgodi več kemijskih reakcij. Stično

površino se poveča z natančno obdelavo materiala. Narediti je potrebno veliko »fraktalnih«

struktur (porozne elektrode). Dovajanje plinov mora biti smotrno speljano, tako da čim večji

delež plina pride v stik z elektrodama in elektrolitom.

Materiali različnih komponent morajo ustrezati določenim merilom. Izbrati moramo

kemijsko reakcijo, pri kateri je sprememba proste entalpije največja (da dobimo čim višjo

napetost), obenem pa mora biti aktivacijska energija majhna (da dobimo čim večjo gostoto

električnega toka). Elektrodi morata biti dobro prevodni in obstojni. Na njih se ne smejo

nabirati nečistoče ali druge snovi, ki bi prekrile površino. Elektrolit mora biti obstojen, dobro

prevoden za ione in neprevoden za elektrone. Za poenostavitev proizvodnje je zaželeno tudi

trdno agregatno stanje. Pri visokotemperaturnih gorivnih celicah, je potrebno paziti tudi na

različne termične raztezke materialov. Zelo rado se namreč zgodi, da pride do prevelikih

materialnih defektov in posamezni elementi gorivne celice počijo.

13

3. Tipi gorivnih celic in njihova uporaba

Poznanih je več tipov gorivnih celic. Nekatere so uporabne v stacionarnih elektrarnah,

druge pa za prenosne naprave ali za pogon avtomobilov. Spodaj so razvrščene po vrsti

elektrolita, ki ga uporabljajo, in po temperaturi, pri kateri obratujejo. Bolj podrobno so

opisane gorivne celice tipa PEM, ki so najbolj razširjene in predvidene za uporabo v

avtomobilih.

AFC - Alkaline Fuel Cell (alkalna gorivna celica): Imajo majhno porabo vodika, a

so zelo občutljive na nečistoče v gorivu in imajo kratko življenjsko dobo. Uporabljajo

se v vesoljskih plovilih (kjer skrbijo tudi za pitno vodo) in vojski, saj je proizvodnja

goriva zelo draga.

PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell (gorivna celica s protonsko

prevodno membrano): Ker delujejo pri relativno nizkih temperaturah, omogočajo

hiter zagon, kar zmanjša obrabo in s tem poveča življenjsko dobo. Za razliko od

ostalih tipov so bolj vzdržljive in lažje, vendar zelo občutljive na nečistoče v gorivu,

poleg tega potrebujejo za delovanje drag katalizator. Uporabljajo se v transportu in

prenosnih napravah.

PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell (gorivna celica s fosforno kislino):

Neobčutljive na nečistoče, vendar večjih dimenzij. Uporabljajo se v stacionarnih

elektrarnah in avtobusih.

MCFC - Molten Carbonates Fuel Cell (gorivna celica s taljenimi karbonati): So

neobčutljive na nečistoče, a imajo slabo vzdržljivost, saj delujejo pri visokih

temperaturah in uporabljajo koroziven elektrolit. Imajo počasen zagon, a visok

izkoristek.

SOFC - Solid Oxide Fuel Cell (oksidna gorivna celica): Podobno kot MCFC so

neobčutljive na nečistoče, a imajo počasen zagon in slabo vzdržljivost, saj delujejo pri

visokih temperaturah. 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.

Tabela 4: Tipi gorivnih celic in njihove lastnosti

Tip Elektrolit

Nosilec

naboja

Delovna

temperatura (°C)

Izkoristek

AFC Raztopina KOH OH- 50-200 45-60%

PEMFC Polimerna

membrana H+ 50-100

35-55%

PAFC H3PO4 H+ 160-210 40-50%

MCFC Li2CO3/K2CO3 CO32- 600-1000 50-60%

SOFC ZrO2 stab. z Y (keramika)

O2- 600-1000

45-65%

14

3.1 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 100 °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.

3.2 Princip delovanja

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.

Slika 7: PEM gorivna celica

15

3.3 PEM gorivna celica in sklop gorivnih celic

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 8 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.

Slika 8: Osnovni ponavljajoči se elementi sklopa gorivnih celic

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.

4. Zaključek

Gorivne celice so še predrage za resno uporabo v vozilih, vendar se bo njihova cena z

večjo proizvodnjo znižala. Obenem se že postavlja infrastruktura polnilnih mest vodika.

Ostaja pa problem proizvodnje vodika iz zemeljskega plina ali elektrolizo vode, za kar

potrebujemo električno energijo, ki jo večinoma pridobimo iz fosilnih goriv. Tako ne rešimo

ekoloških težav, zato bo potreben prehod na pridobivanje energije iz obnovljivih virov.

Motorje z notranjim izgorevanjem bodo tako sčasoma nadomestile gorivne celice, katerih

bistveni prednosti sta čistejše delovanje in boljši izkoristek.

16

5. Viri

Literatura:

1. Handbook of Fuel Cells, VOLUME 1, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey 2003

2. Handbook of Fuel Cells, VOLUME 2, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey 2003

3. Handbook of Fuel Cells, VOLUME 3, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey 2003

4. Handbook of Fuel Cells, VOLUME 4, Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey 2003

5. Delovanje gorivnih celic in njihova uporaba v industriji električnih vozil (seminar),

Gorazd Lampič, 2003

6. Fuel Cell Technology Handbook, Gregor Hoogers; CRC Press LLC, 2003

7. Physical Chemistry, Ira N. Levine; McGraw-Hill, 1995

8. Fundamentals of Electrochemical Science, Oldham, Mylard; Academic Press 1994

9. Electrochemistry, Hamann, Hamnett, Vielstich; Willey, 1998

10. Electrolyte Solutions, Robinson, Stokes; Dover Publications, 2002

11. Fizika 1. del, Janez Strnad, DMFA Slovenije, 1995

12. Fizika 2. del, Janez Strnad, DMFA Slovenije, 1995

13. Toplota, Ivan Kuščer, Slobodan Žumer, DMFA Slovenije, 1987

14. Veliki splošni leksikon, CD-ROM, DZS, Ljubljana, 2005

Internetni naslovi (03.2008):

15. http://www.dodfuelcell.com/fcdescriptions.html

16. http://www.fuelcells.org

17. http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm

18. http://auto.howstuffworks.com/fuel-cell1.htm

19. http://www.jxj.com/magsandj/cospp/2003_04/fuel_cells.html

20. http://www.sihfc.si/prikazi.asp?vsebina=znanje%2Fpredstavitev_gorivnih_celic.asp

21. http://www.ballard.com/

22. http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

23. http://www.earthtoys.com/emagazine.php?issue_number=06.04.01&article=fuelcells

24. http://www.methanol.org/fuelcell/special/ami.pdf

25. http://www.polet-press.si/stare/70/tehnika.htm