gorivne celije seminarski

7/28/2019 Gorivne celije seminarski

1/19

Univerziteta u Novom SaduFakultet tehnikih naukaInenjerstvo zatite ivotne sredinei zatite na radu

Predmet: Alternativna energetikaTema:Nove tehnologije: Gorive elije

Studenti inenjerstva zatite na radu:Ferenc Mihalj ZR1328Moevi Zoran ZR 40

Novi Sad, 2013. godina


2/19

2

SADRAJ

1. UVOD...............................................................................................................................32. ISTORIJA GORIVIH ELIJA...........................................................................................4

3. PRINCIP RADA GORIVNIH ELIJA...............................................................................54. OSNOVNE VRSTE GORIVIH ELIJA.............................................................................54.1. GORIVNE ELIJE SA PROTONSKOM MEMBRANOM...................................64.2. ALKALNE GORIVNE ELIJE............................................................................74.3. GORIVNE ELIJE SA FOSFORNOM KISELINOM...........................................84.4 GORIVNE ELIJE SA ISTOPLJENIM UGLJENIKOM.......................................84.5. GORIVNE ELIJE SA VRSTIM OKSIDOM.....................................................94.6. GORIVNE ELIJE NA UGLJENIK...................................................................10

5. VODONIK KAO GORIVO...............................................................................................106. GORIVNE ELIJE KAO GENERATORI........................................................................137. GORIVNE ELIJE U MOTORNIM VOZILIMA...............................................................15

8. ZAKLJUAK..................................................................................................................189. LITERATURA.................................................................................................................19


3/19

3

1. UVOD

Za razvoj oveanstva oduvek je bila potrebna energija. U dananje vreme, i ovim tempomrazvoja i porasta stanovnitva, apetiti za energijom su sve vei, a uzimajui u obzir da su

nam, za sada, glavni izvori energije neobnovljiva fosilna goriva, postavlja se pitanje kolikoe to potrajati i ta nam je alternativa.

Veina zemalja irom sveta suoie se sa ozbiljnim nedostacima energije u bliskojbuduosti. Trenutna energetska zavisnost veine zemalja od nafte i njenih derivatazahteva ogromne ekonomske izdatke, to e se u budunosti negativno odraziti nanacionalne ekonomije, a samim tim i na meunarodnu bezbednosnu situaciju. Premastatistikim podacima, svake godine premaujemo rekorde u potronji nafte koji premaujubrojku od 4 milijarde tona godinje, dok se procenjuje da su rezerve nafte u opsegu od 110

do 160 milijardi tona. Prostom matematikom dolazimo do zakljuka da neemo jo dugomoi da odravamo na razvoj iz ovog izvora energije. Sa druge strane, energija dobijenaiz ovog izvora energije, direktno ugroava ivotnu sredinu a samim tim utie i na zdravljeoveka. Danas, posledice korienja fosilnih goriva oseaju uglavnomsiromane zemljeiako ne postoje ni tehniki ni fiziki razlozi za odranje ovakvog stanja. Prirodni i tehnikidnevni potencijal energije iz obnovljivih izvora je i do 20.000 puta vei nego dnevnapotronja fosilnih goriva. Sagorevanje fosilnih goriva, naroito uglja, predstavljaju ogromanproblem iz razloga to su najvei izvor gasova staklene bate. Promena klimatskih uslovakoje taj efekat izaziva predstavlja najveu opasnost po funkcionisanje zemljinog ekolokogsistema to moe ugroziti proizvodnju hrane pa i funkcionalnost celokupnog ivog sveta.Meutim, cela industrija je bazirana i izgraena oko fosilnih goriva i samim tim, dokle godje ima nee biti korenitih promena u drutvu.Sama injenica da su dravne subvencije i do 10 puta vee za istraivanje i razvojpostojeih tehnologija koje su vezane za fosilna goriva govori o trenutnojnezainteresovanosti i jaini naftnih lobija. Vremenom postaje sve jasnije da obnovljivi izvorienergije moraju postati najvei ekonomski i politiki prioritet i zato najrazvijenije zemlje iulau sve vie sredstava u njihovo istraivanje i usavravanje, to je jako mali brojzemalja. Sa obzirom na sve probleme koje nam donosi na nain ivota, alternativnagoriva moraju postati realni izvori energije da bi ispunili norme koje namee moderan

nain ivota.

U alternativne izvore energije spadaju energije sunca, vetra, korienje biogoriva pa itehnologija gorivih elijao koje su i tema ovog rada. One sve vie zauzimaju trite i ulazeu globalnu upotrebu i pored osnovnih karakteristika, kao to je izvor energije koji manjeutiu na ivotnu sredinu, ili uopte ne utiu, omoguavaju i prostor za nove nauno -istraivake projekte koje e otvoriti put ka zapoljavanju velikog broja naunika iinenjera.


4/19

4

2. ISTORIJA GORIVNIH ELIJA

Poetkom 19. veka, britanski naunici William Nicholson i Ser Anthony Carlisle opisalisu proces razlaganja vode na vodonik i kiseonik tj. elektrolizu. etiri decenije kasnije1839. godine britanski naunik William Grove je otkrio da je mogue napraviti strujuobrnutim procesom od procesa elektrolize. Kombinujui metalne elektrode i tenukiselinu iz baterija unutar vie staklenih tuba on je bio u mogunosti da generie strujuod 12A i 1.8V, koja je bila dovoljna da demonstrira osnovni princip rada gorivne elije,ali nedovoljna da slui za bilo kakve praktine primene. Pola veka kasnije,1889. dvanaunika, Charles Langer i Ludwig Mond pokuali su da projektuju prvi praktinisistem za dobijanje struje na ovaj nain, i nazvali su ga gorivna elija. U ranim1890-tim oni su razvili gorivnu eliju koja je transformisala ugalj sa jedne strane, ivazduh sa druge, u elektrinu energiju, a kao katalizator koristili su platinu. Ovo je

bila prva gorivna elija sa vrstim elektrolitom.Od tih trenutaka pa sve do ezdesetih godina 20. veka, postojale su razne verzijegorivnih elija ali nijedna nije bila upotrebljiva u praktinom smislu.

Poetkom 1932. godine Francis Thomas Bacon pravi svoju prvu gorivnu eliju saalkalnim elektrolitom, a 1939. godine konstruie eliju koristei elektrode od nikla.Kao elektrolit koristio je alkoholnu smesu, a kao gorivo za elektrode ist vodonik ikiseonik. Uspeno konstruie gorivnu eliju 1959.godine od 5kW i sa svojim saradnicimademonstrira njenu primenu za luno zavarivanje. Iste godine Harry Ihrig izlae svoj

traktor na gorivne elije snage 20 konjskih snaga, i to je prvo vozilo ikada napravljanokoje koristi gorivne elije za napajnje elektrinog motora koji pokree vozilo.Tokom ezdesetih godina, projekti, osim nasine misije apolo koje su specijalizovaleelije za njihove potrebe, postali su zanimljivi i kompanijama General motors i Shelloil koji su napravili neke modele automobila na ovaj pogon, ali sa obzirom da im jesnaga mala u odnosu na veliinu, a gorivo je bilo jeftino, odustalo se od njih. U ranim 1970. interes za naftu i okruenje je poeo da se menja. Nova agencijaza zatitu sredine opomenula je automobilske kompanije da zagaenje izduvnimgasovima postaje veliki problem, i da e zahtevati njegovu znaajnu redukciju uvozilima. Kriza nafte 1973. godine stavila je javnosti do znanja da konvencionalni izvori

energije nisu veni, i da e cena nafte stalno rasti. Tada je po prvi put javno mnjenjepoelo da razmilja o konceptu korienja alternativne energije. Tokom osamdesetihmnoge nove efikasne alternativne tehnologije dobijanja elektrine energije su poele dase koriste, ali tehnologija gorivnih elija nije bila meu njima. Cena naftnih derivata sestabilizovala, i automobilske komapanije su uinile znaajnu redukciju u emisiji tetnihgasova, tako da je u automobliskoj industriji bilo jako malo razmiljanja o novimvrstama izvora energije. U isto vreme niko se nije bavio nekim tehnikim problemimakoji su ostali nereeni jo kod ranijih projekata gorivnih elija, pa je to ostala i daljenepraktina tehnologija nevidljiva za javnost.

Gorivne elije su ponovo isplivale na svetsku pozornicu 1993. godine kada jeKanadska kompanija Ballard Power System predstavila i demonstrirala upotrebu


5/19

5

putnikog autobusa napajanog novim sistemom gorivnih elija. Autobus je pokazaomnoga znaajna tehnika dostignua, kao to je na primer veu gustinu snage,iskoristljivost, i tako dalje. Ali njegovo najvee dostignue bilo je to to je uinilogorivne elije vidljivim i razumljivim za svetsku javnost, vlade zemalja irom sveta iuopte globalnu industriju koja je imala velikih problema sa zagaivanjem okoline. Odonda tehnologija gorivnih elija je eksponencijalno poela da se razvija, i skoro svevee automobilske kompanije su za kratko vreme razvile prototipove vozila baziranih nausavravanju stekova gorivnih elija koje je predstavila ova kompanija.

3. PRINCIP RADA GORIVNE ELIJE

Gorivna elija predstavlja elektrohemijski generator u kojem se odigrava direktnakonverzija energije oslobone u hemijskoj reakciji izmeu gorivnih medijuma, obino

vodonika (danas i mnogih drugih jedinjenja) i kiseonika (ree istog, obino uzetogiz vazduha), u elektrinu energiju i toplotu. Sutinsku strukturu svake gorivne elijeine dve elktrode anoda i katoda na kojima se odigravaju reakcije redukcije i oksidacijeelektrolita koje omoguavaju kretanje jona kroz membranu koja zatvara elektrino koloi uspostavlja struju. Radi jednostavnosti posmatraemo gorivnu eliju koja radi saistim vodonikom i kiseonikom. U unutranjosti gorivne elije atomi vodonika uinterakciji sa anodom (tanije katalizatorom) gube elektrone i postaju pozitivni joni H+

(proces oksidacije). Oni naputaju elektrodu i k r e u i s e kroz elektrolit idu kakatodi. Istovremeno osloboeni elektroni se gomilaju na krajevima anode zbog ega

ona postaje negativno naelektrisana na svojim izlaznim kontaktima. Kada se zatvorielektrino kolo preko nekog potroaa , na katodi molekuli kiseonika prihvatajuelektrone koji pristiu sa anode vrei redukciju, odlaze od elektrode u formi jona O-kroz elektrolit i rekombinuju se sa pristiglim jonima H+ gradei vodu. Na taj nainkatoda na svojim izlaznim kontaktima postaje negativno naelektrisana, i zahvaljujuirazlici potencijala izmeu oba izvoda elektroda uspostavlja se elektrina struja u kolu.Za rad gorivnih elija je obavezan izotermni reim, pa se njihova temperatura moraodravati konstantnom. To se postie sistemom za hlaenje koji odvodi suvinutoplotnu energiju obezbeujui tako i mogunost procesa kogeneracije.

4. OSNOVNE VRSTE GORIVIH ELIJA

Gorivne elijekao relativno nova tehnologija se razvija iz godine u godine sve vie ivie i stalno se pronalaze novi naini njihovog efikasnijeg delovanja. Prema podelamakoje sada postoje, gorive elije se dele prema snazi koju daju, njihovoj nameni, prematemperaturama na koje rade i prema elektrolitima koje se u njima nalaze, pa emonavesti najzastupljenije.


6/19

6

4.1. GORIVNE ELIJE SA PROTONSKOM MEMBRANOM(Proron Excange Membrane Fuel Cell- PEMFC)

Ovaj tip gorivnih elija je specifian, i razlikuje se od ostalih tehnologija. Karakterie gaposebna vrsta elektrolita, koji je u ovom sluaju ustvari specijalno konstruisanapolimerna membrana plastina folija. Ona ima odliku da je za elektrone nepropusnabarijera, a za jone maksimalno provodna. Postoji vie tipova materijala od koji se pravipolimerna membrana, a najzastupljeniji je nafion (sintetiki polimer). Membrane odnafiona obino imaju debljinu od 50 do 175 mikrona (50 mikrona je debljina listahartje), i poto uvek mora biti vlana izgledaju kao mokre filmske trake. Radnatemperatura PEM gorivnih elija sa klasinim polimer elektrolitima je 80C, a radi sena materijalima koji e obezbediti radnu temperaturu i do 120 C gime e se smanjitizaprljanje katalizatora. Obe elektrode su napravljene od ugljeninih vlakana sa velikim

brojem upljina, na ijim je zidovima raspren katalizator - platina (150-250g/cm2),koja je neopeodna za odravanje dinamike reakcija na elektrodama. Platina jeustvari katalizator koji ubrzava ceo proces. Kritina je strana sa kiseonikon, jer na80C bez katalizatora redukcija kiseonika bi bila jako usporena, to jest, na ovoj

temperaturi ne mogu se bez pomoi platine rekombinovati svi elektroni pristigli saanode. U prvim elijama platina je u kompletnoj ceni ureaja uestvovla sa 80%, izato je ona bila izuzetno visoka (1000 za 1m2gorive elije). Danas se intenzivno radina pronalaenju mnogo jeftinijie i robusnijih meavina, kao to su (italijanska)sintetizovana platina na bazi FeNiCO, koja je nuporedivo jeftinija.

Jedna gorivna elija proizvodi potencijal manji od 1V. Ali povezivanjem individualnihelija u serije (stekove) dobija se napon pogodan za praktinu primenu. Nepostojiodreeni broj elija u jednom steku, ali on se najee kree u opsegu od 10 do100. Povrina jedne elije obino ima vrednost od 100 do 400 cm2 ( i ovde takoenepostoji fiksna vrednost). Jedan stek moe da proizvede snagu od skoro 1W, pa svedo 100kW. Za stekove koji rade na H2 i vazduh, najvee gustine snage su za sadareda veliine oko 1 kW/l ili 1 kW/kg. Efikasnost steka elija zavisi od nainaiskoriavanja same elije i kree se u opsegu od 35 -60%. Pogodne su zato to moguda funkcioniu i pri niskim temperaturama. Takoe, vreme brzine poinjanja delovanjaelije je jako kratko ( momenat od kada se elija aktivira do mometa dobijanja energije).Stekovi elija ove vrste pogodni su za pomone generatore, kao baterije ( prenosiv izvorenergije) i prevozna sredstva. Nedostaci ovih elija su te to im je skup katalizator, niskaotpadna temperatura (ne moe se koristiti za proces kogeneracije) i to su isuvieosetljive na neistoe goriva.Ove gorive elije, uz manje modifikacije, mogu kao gorivo koristiti i alkohole metanol ietanol to dovodi do poboljanja nekih karakteristika, ali i do emisije CO2. Te elije su seodlino pokazale na polju mikrogeneratora koja se zasniva na izmeni iskorieih ketridzaili njihovim dopunjavanjem to ga ini idealnim u proizvodnji mobilnih telefona i drugih

prenosivih ureaja, jer tada bi punjenje baterije trajalo onoliko koliko vam je potrebno dasipate gorivo u eliju.


7/19

7

4.2. ALKALNE GORIVNE ELIJE(Alkaline Fuel Cells- AFC)

Kod njih je elektrolit vodeni rastvor kalijum hidroksid, a elektrode su u jeftinijoj varijanti

porozni nikl, a u skupljoj platina. Radna temperatura im je (kada je elektrolit platina) od

60 do 100C. Voda se proizvodi na anodi dva puta bre nego to se troi na katodi.Osnovno gorivo je vodonik, a neki upotrebljavaju i Hidrazin (N2H4). Ove vrste

gorivnih elija neprihvataju CO2na katodi ni u tragovima, pa je ova tehnologija, iako

najstarija, ostala jedina koja zahteva ist vodonik i ist kiseonik. Radne temperature sekreu u irokom opsegu od 60 C pa sve do 250 C, na koliko bi radile u svemirskojtehnologiji. Dobra odlika im je brz start na hladno. Efikasnost je izuzetno visoka i kreese oko 70% pri maksimalnoj snazi. Ali bez obzira na to skupi materijali za njenu izradu

su uzrok njihove neproizvodnje. Primenu ima samo u ekskluzivnim programima kao tosu Apollo-Space shuttle, u vojnim podmornicama, gradskom prevozu (autobus Elenco1995. godine u Briselu inae danas veina autobusa na gorivne elije koristiBallard-ove PEM stekove). Takoe ograniavajui faktor je nefleksibilnost uproizvodnji razliitih goriva. Brzina procesa koji se odigravaju u gorivnoj eliji zavisitakoe i od funkcije pritiska pod kojim se reagenti (vodonik i kiseonik) dovode naelektrode. Na slici se vidi primer elije koja je koriena u izgradnji svemirskog brodaGemini 7 (Slika 4.1).

Slika 4.1


8/19

8

4.3. GORIVNE ELIJE SA FOSFORNOM KISELINOM(Phosphoric Acid Fuel Cells- PAFC)

Kod njih se upotrebljava kao elektrolit fosforna kiselina (PO4H3) impregnirana umatrinu strukturu silikon karbida. Obe elektrode su od poroznog grafita. Radnatemperatura elije je od 180-210C, zbog ega postoje veliki problemi sakorozijom i to ograniava fleksibilniji izbor materijala za primenu. Elektrode seprave od zlata, titanijuma ili ugljenika, a katalizator je obavezno platina ili neki

njeni oblici. Kiselina u sistemu ne sme da isparava, tako da je jedini medijum

koji isparava voda. Njihova velika prednost je ta to nisu osetljive na prisustvoCO2, pa se mogu koristiti razliita goriva (gasni i teni ugljevodonici, alkoholi,

nekvalitetniji vodonik). Poto rade na temperaturama oko 200C idealni sugeneratori za kogeneraciju. Namenjene su malim i srednjim pogonima i postiuoko 40% elektrine efikasnosti. Elektrane ovog tipa tipino proizvode od 200-250kW, do maksimalno 1.3-40MW. Radna temperatura od 200C dovoljno je

visoka da obezbedi upotrebu toplotne energije koju generie gorivna elija zaproces predgrevanja reformera gorivnih medijuma, na primer, prirodnog gasa, a

isto tako da obezbedi kogenerativno rezidencijalno zagrevanje prostorija. Gorivne

elije sa fosfornom kiselinom imaju vrlo specifian problem, na temperaturi od45C elektrolit se zgunjava i poveava zapreminu, pa se zbog toga ovi ureaji nesmeju rashladiti ispod ove temperature inae bi dolo do naprezanja u konstrukcijisteka i deformacije elektroda. Tako se postrojenja sa fosfornim gorivnim elijama

uvek proizvode za stabilan rad, i u takvim uslovima eksplatacije pokazujumaksimalna svojstva. Kada jednom startuju samoodrivi su po pitanju svihparametara, to znai da trae neprekidnu proizvodnju energije i to manjezastoja. Sa vie stotina instalacija irom sveta koji napajaju najrazliitije objekte,agregat PC-25, o kome e kasnije biti vie rei je praktino najzastupljenija aktivnatehnologija na tritu. Tehnologija PAFC je pokazala izuzetnu pouzdanost itrajnost. Veliki broj sistema zadovoljio je do sada strogi zahtev neprekidnog rada

(40.000 radnih asova) i znatno ga premaio, teko da se u budunosti ne predvianjihovo intenzivnije usavravanje.

4.4. GORIVNE ELIJE SA ISTOPLJENIM UGLJENIKOM

(Molten Carbonate Fuel Cell- MCFC)

Ove gorivne elije rade na visokim temperaturama i pritiscima i praktine posledicepodizanja temperature u njima nisu samo pozitivne. Takoe, inteziviraju se i problemisa korozijom, komplikuju problemi sinterovanja i kristalizacije katalizatora, pogoravastarenje i degradacija elektrolita. Maksimalna operativna temperatura za razne tipove

gorivnih elija odreuje se od sluaja do sluaja na osnovu termike stabilnostiodabranih materijala od kojih je realizovana celokupna struktura, kako pojedinanog


9/19

9

modula tako i steka kao finalnog proizvoda. MCFC gorivne elije rade u reimutemperatura oko 650C, i kao elektrolit je upotrebljena meavina Li2CO3/K2CO3. Uodnosu na druge tipove gorivnih elija sa tenim elektrolitima ove elije imajuprednost jer odravaju konstantnu vrednost kompozicije elektrolita za svo vreme rada.Generatori MCFC ostvaruju elektrinu efikasnost od 60%. Inae korienjem ikogeneracije postie se fenomenalnih 88%. Ovom nivou efikasnosti u generisanjuelektrine energije na malim snagama ne prilazi ni blizu ni jedan drugi ortodoksnitransformator energije. Samo na veoma visokim snagama, npr. 200MW oekuju se ubudunosti specijalne keramike gasne turbine sa efikasnou od 55-58%.

4.5. GORIVNE ELIJE SA VRSTIM OKSIDIMA(Solid Oxide Fuel Cells- SOFC)

Gorivne elije sa vrstim oksidima su trenutno vodea tehnologija i po tehnikimpotencijalima i po mogunostima aplikacija. Njihova radna temperatura je veomavisoka i kree se u opsegu 8001000C. Trae se reenja da se svi procesi uspenoodigravaju i na 600C. Kod ovih vrsta gorivnih elija elektrolit je keramika strukturavisokih performansi. Anoda je konstruisana od cermeta (kompozitni materijal koji se

sastoji od keramikih i metalnih komponenti) metalizovane keramike na bazi nikla,dispergovanog po stabilizovanom cirkonijumu. Na katodi je katalizator u obliku dioksida.

Bipolarna ploa igra kljunu ulogu u funkcionisanju SOFC. Ona odrava visoke zahteve

na visokoj temperaturi i u oksido-redukcionom okruenju a sa druge straneprua velikuotpornost prolasku elektrine struje kroz strukturu. Intenzivna istraivanja u poljukonstrukcionih materijala, katalitikih struktura, procesa ija su reenja ostvarilaefikasnije agregate sa gorivnim elijama iskoristile su i konkurentske tehnologije.Pogotovo su opte prihvaena parna reformatorska reenja u svim predprocesimanapajanja parne i gasne turbine radnim medijuom. Izrada kritinih delova gasnih turbinaod specijalnih keramika koje su implementirane u strukturi SOFC dovodi turbo

generatore u oblast visokih energetskih efikasnosti, ali iznad svega proizvodi optukorist jer se svim ovim postupcima postie znaajno smanjenje zagaenja.

Reverzibilne SOFC su najznaajnije unapreenje u polju primene ve v a e i h superiornih tehnologija. Rade na principu korienja elija sa parom kao oksidantom igorivom (razni ugljevodonici u gasnom stanju) kao sredstvom za elektrolizu, a bez

posebnog izvora elektrine energije. Drugi deo sistema koji je fiziki spregnut sa prvimpreuzima ulogu dodatnog podizanja potencijala za elektrolizu, radei kao standardnaSOFC. Ovo je sasvim nova vrsta kogeneracije i moe direktno uticati na aktiviranjeekonomije napajane vodonikom. Generisati H2 na ovaj nain daje povod razmiljanjuo sopstvenom napajanju automobila. Najvei problem ove tehnologije predstavljajuprevisoke temperature koje ograniavaju dugovenost elija.


10/19

10

4.6. GORIVE ELIJE NA UGLJENIK(Direct Carbon Fuel Cells- DCFC)

Jo 1896. godine dr.W.Jacques je patentirao metod konvertovanja ugljenika u

elektricitet. Oni su uspeno izvedeni tek 1973. na Stenford Univerzitetu. Tek u tokudevedesetih godina su proizvedene funkcionalne elije koje za gorivo koriste ugljenik tojest vrst grafit. Danas kako se dolazi do sto veeg razumevanja ove pojave najee seza gorivo koristi istopljeni ugljenik kao elektrolit i preovlaujenad reenjima kao to surazliiti rafinisani ugljevi. Prednost ima zbog neureenije kristalne reetke, odakle i dolazivee oslobaanje elektrona to rezultuje veim stepenom koeficijenta dejstva.DCFC gorivna elija generie elektrinu energiju reakcijom ugljenika i kiseonika, i kaoto je ve reeno, to je vei nered u strukturi reetke ugljenika, to je vea elektrinaefikasnost. Hemijski procesi u DC gorivim elijama su sledei:

Reakcija na anodi: C + 2 O2- CO2 + 4 e-

Reakcija na katodi: O2 + 4 e- 2 O2

-

Mogua goriva koja koristi DCFC su: vrsta goriva (adji, grafiti, staklasti karbonati(kombinacija staklastih i keramikih svojstava grafita), koks, ugalj, pa ak i drvena i drugabiomasa), tena goriva (benzin, dizel, kerozin i alkoholi) i gasovita goriva ( vodonik,prirodni gas i propan i dr.).

Gledano kroz elektronski bilansreakcija ugljenik kiseonik atraktivna je iz dva razloga.U okviru elektrohemijske reakcije u gorivnoj eliji ne deava se skoro nikakvapromena entropije. Ako doe do smanjenja entropije znai da elija postaje sve viegreja a manje elektrogenerator. U idealnom sluaju konverzija elektrohemijskeenergije ugljenika pri reakciji sa kiseonikom u gorivnoj eliji bila bi oko 100%. Drugakarakteristika je konstantnost elektromotorne sile. Maksimalan napon Eo ne

degradira u procesu iskoriavanja ugljenika, to znai da protok goriva ne menjaelektromotornu silu. Ako postavimo eliju u radni reim moe se raunati na 80%elektrine efikasnosti. Gubici su uglavnom vezani za fenomene polarizacije naelektrodama i na unutranjoj otpornosti elije.

5. VODONIK KAO GORIVO

Vodonik (H) je prvi element periodnog sistema elemenata i poznat je po tome to jenajlaki i najrasprostranjeniji element celog svemira. Oko 90% celog svemira ine elementivodonika. Na zemlji je trei najzastupljeniji element i ulazi u sastav vode i organskihjedinjenja. Pod normlnim uslovim je u gsovitom gregtnom stnju, neotrovn,bezbojan je, nema ni mirisa ni ukusa. Zpljiv (grnic eksplozivnosti u vzduhu od 4-94%). Minimln energij inicijcije pljenj 0,02 MJ. Tempertur plmen pri

stehiometrijskom sgorevnju je 1930C.


11/19

11

Vodonik kao gorivo i izvor energije pokazuje odline karakteristike to se moe videti nasledeoj tabeli 5.1:

Tabela 5.1.

Gorivni medijum

(g/ gas, L/ tenost, fluid)

Gustina energije

Prema zapremini( kWh/l)

Prema teini( kWh/ kg)

Benzin (L)Metan (g/ 250 bara)Metanol (L)Vodonik (MgH2)Vodonik (metalhidrid)Vodonik ( L/ -273C)Vodonik ( g/ 300 bara)

Olovni akumulator

9.4311.065.054.420.602.780.88

0.06

13.3315.426.373.060.2040

0.66

0.03

Iz svega se moe izvesti zakljuak da 1kg vodonika ima istu energetsku vrednost kaogalon (3.8 litara) benzina.

Kod gorivih elija bi najidealnije bilo da se kao gorivo uzima ist vodonik jer je tadaefikasnost sistema najvea. Tada su jedini produkti reakcije voda i osloboena toplota.Korienjem svih drugih supstanci i oblika dovodi do smanjene efikasnosti i dodatnihprimesa. Vodonik moe da pokree i dananja konvencionalna vozila sa motorimana unutranje sagorevanje i to uz njegove minimalne modifikacije. Tada on sagoreva upravom smislu te rei (u gorivnoj eliji ne sagoreva ve hemijskim putem proizvodistruju pa je zato efikasonst vea). Pri gorenju sa vazduhom, dobijaju se i neki tenioksidi (NOx), ali u mnogo manjoj meri nego pri sagorevanju bezina, dizela ili prirodnog

gasa. Produkti ne sadre atome ugljenika to ga ini bezbednim u pogledu emisijagasova koji uzrokuju efekat staklene bate. Vodonik se danas najee dobija u rafinerijama iz foslinih goriva (prirodnog gasa,

ugalja, nafte), kao i iz bio-goriva razliitim tehnolokim postupcima. Takoe se dobijaelektrolizom vode. U vodu se stave dve elektrode, anoda i katoda koje su povezane sa

elektrinim izvorom jednosmerne struje (anoda vezana za pozitivan kraj izvora, a katoda

za negativan). Kroz vodu se zatvora strujno kolo i uspostavlja elektrina struja. Kaoposledica obrazovanja jona na spoju elektroda i vode na katodi e se oslbaati vodonik ana anodi kiseonik.

Za masovniju proizvodnju vodonika na principu elektrolize danas se koriste elektrolzeri,

ureaji koji su po principu i konstrukciji jako slini gorivnim elijama, ako ne ak i istikada je gorivna elija reverzibilna (tada gorivna elija) moe da radi u oba smera dovoenjem vodonika i kiseonika generie se struja, a takoe i povezivanjem njenihkrajeva na izvor elektrine energije generiu se vodonik i kiseonik). Inae svekomercijalne elektrolize zahtevaju to je mogue istiju vodu, jer to je njena neistoa

vea ee se menjaju filteri. Takoe, morska voda se nemoe koristiti u te svrhe bez


12/19

12

prethodne obrade desalinizacije i destilacije, to su sami po sebi skupi procesi i u ovomtrenutku bi bilo nepraktino koristiti je jer bi se efikasnost sistema drastino smanjila.Energetske potrebe za dobijanje vodonika procesom elektrolize zahteva oko 50 kWh za

dobijanje oko 1 kg vodonika to dovodi efikasnost procesa na oko 70 %. Zato najboljiprimeri za dobijanje vodonika je dobijanje potrebne energije iz obnovljivih izvora energije,

kao sto je na primer, solarna, koje enapajati elektrolizer odakle e se nakon toga vodonikskladititi ili predavati direktno potroaima.Vodonik je ve u upotrebi u svetu jer se koristi za proizvodnju amonijaka, metanola,benzina, raketnog goriva, vetakih ubriva, stakla, vitamina, kozmetike i mnogih drugihstvari. Ulazi u proces proizvodnje ugljeninih vlakana, revolucionarnog materijala kojem jejaina u odnosu na elik ak 10 puta vea. Po nekim procenama u celom svetu dnevno seiskoristi vie od 100 miliona kilograma vodonika.Veliki problem sa vodonikom kao gorivom je njegova reaktivnost i predstavlja problem kod

njegovog transporta i njegovog skladitenja. U poetku je bio skladiten u metalnim

tankovima to je za, na primer, 3 kg vodonika pod pritiskom koji je bio uskladiten umetalnoj boci teina iznosila i do 400 kg to je vrlo nepraktino. Danas se tankovi prave odugljeninih vlakana i u stanju su da uskladite vodonik pod pritiskom i do ak 10000 psi toje ekvivalent od 690 bar. Jedna od vodeih u proizvodnji tankova je kompanija Quantumtechnologies iz Kalifornije a od evropskih tu je kompanija McPhy iz Francuske.Jo jedno od reenja skladitenja vodonika predstavlja i jedninjenje NaBH4 (natrijumborohidrid) koje je bezopasna hemikalija slina sapunu. Nije zapaljivo niti eksplozivnojedinjenje i uva se u plastinim posudama pri normalnom pritisku i temperaturi.Postoje jo mnoge druge tehnike skladitenja kao to su teni vodonik, razna hemijska

skladitenja u vidu supstanci kao to su metalni hidridi, ugljenini hidridi i drugi.Bezbednost vodonika je dovedena u pitanje padom luksuznog prevoznog sredstva, koji se

do tada smatrao budunou transporta vazduhom, cepelina Hindenburg jo 1937.godine. Verovanje u cepeline je bilo toliko da je ipka koja se nalazila na vrhu EmpireState buildinga, tadanje najvie zgrade na svetu, bila konstruisana tako da budevazduna luka za koju bi se privezao cepelin. Tada je dolo do zastoja u korienjuvodonika jer je smatran za izuzetno nestabilan i eksplozivan. Danas, posle toliko godina

od nesree, koja je izazvana njegovim loim skladitenjem vodonika, razbijeni su mitovi ovodoniku kao nebezbednom, posebno to je proces njegovog dobijanja, skladitenja itransporta umnogome poboljan i tehnoloki uznapredovao.U odnosu na konvencionalno gorivo, benzin, temperatura samozapaljivanja vodonika

iznosi oko 550C dok benzina 228C do 500C u zavisnosti od njegovog stanja. U sluajuhavarije i njegovog curenja, brzo se die u visinu, jer je laki od vazduha i brzo se savazduhom i mea to dovodi do manje verovatnoe da doe do zapaljenja.Trenutno cena vodonika kao goriva je mnogo vea u odnosu na fosilni ekvivalent. Velikiproblem koji doprinosi poveanoj ceni jesu njegov transport i distribucija. Uz to, cenu munajvie poveavaju dravne povlastice koje imaju proizvoai fosilnih goriva. Ako bi seizuzelo sve to i gledala proizvodnja vodonika iz obnovljivih resursa, to je najidealnijisluaj, cena bi iznosila 1.00$ po kilogramu to jest za 1.80 gge (gallon of gasoline

equivalent) u odnosu na benzinski ekvivalent koji kota 3.35$ po galonu. U odnosu nadizel razlika je jo vea. Trokovi na izvoru proizvodnje za vodonik iznose 0.0015$ po


13/19

13

galonu dok za benzin iznosi 1.98$. Trokovi rafinisanja za vodonik iznose od 700 -3500$bpd (barrel per day) dok za benzin se trokovi kreu od 1000-5000$ bpd. Modanajfascinantniji podatak predstavlja da sa 1kg vodonika kao pogonskog goriva moete dapreete 81km dok sa galonom benzina prelazite od 18-31km u zavisnosti od veliine ipotronje motorasa unutranjim sagorevanjem. Kao kod svih alternativnih izvora energije,ne postoji prepreka u tehnikom ili tehnolokom smislu, postoji samo problem velikoginicijalnog ulaganja to predstavlja problem zemljama u razvoju, da ne govorimo o ostalim.Vodeezemlje, iako u mogunosti, ne ele da se ozbiljnije bave ovim problemima zbogjakog naftnog lobija tako da e ova tehnologija morati da saeka povoljniji momenat zaosvajanje masovnih trita.

6. GORIVNE ELIJE KAO ELEKTRINI GENERATORI

Postrojenja sa gorivnim elijama kao generatorima predstavljaju sloene sisteme koji sesastoje iz vie razliitih modula od kojih svaki ima svoju specifinu funkciju.Uglavnom generatorska jedinica se sastoji od reformera, steka gorivih elija (generatora), itransformatorskog modula. Kao to smo rekli, generator koristi vodonik kao gorivo.Reformer vri izdvajanje vodonika iz jedinjenja u kojem se doprema i vri njegovopreiavanje. Moe biti eksterni, interni ili integrisan. Uloga reformera je umogome laka iiskorienje je vee ukoliko se za gorivo koristi ist vodonik jer tada nisu potrebni dodatnifilteri za njegovo izdvajanje.

Sledei i najvaniji deo je generator koga ini stek serijskih povezanih gorivnih elija kojielektrohemijskim procesima stvaraju elektrinu energiju. Generator koristi vodonik izgoriva i vazduh iz okoline a produkti su struja, voda i toplota. Odatle jednosmerna

neregulisana struja dolazi do transformatorskog modula koji struju pretvara u neizmeninui alje je potroau. Danas se ovi sistemi sa stekovima koriste za konstrukciju mnogihmodula za napajanje kao to su baterije, mobilni telefoni, agregati pa ak i elektrana kojeproizvode elektrinu energiju od nekoliko MW. Za sada postoji slaba primena ovihgeneratora, kao i svih generatora alternativnih energija. Jedna od kompanija koja proizvodi

ovakve generatore je i FuelCell Energy koja u ponudi ima ureaje DFC300, DFC1500,DFC3000 snage 300kW, 1.4MW i 2.8 MW. Kompanija UTC Power ima ureaj ThePureCell Model 400 System (slika 6.1) koji proizvodi 400 kWh elektrine energije i ima

kogenerativnu sposobnost, to jest, osloboena toplota se moe u potpunosti iskoristiti zazagrevanje. Ovo su generatori koji se koriste za napajanje objekata i istaliraju se na njima.

Slika 6.1


14/19

14

Jedno od reenja problema napajanja elektrinom energijom ovim generatorima reila jepivara Sierra Nevada iz Kalifornije koja je instalirala etiri jedinice od 250 kWh kompanijeUTC Power modela The PureCell Model 300 System (Slike 6.2 i 6.3) to jeobezbedilo oko 90% njihovih potreba.

Slika 6.2

Slika 6.3


15/19

15

7. GORIVNE ELIJE U MOTORNIM VOZILIMA

Ideja da se gorivne elije koriste kao izvor energije za pogon motornih vozila nije nova.Ideja se javila od momenta kada se pojavila kao revolucionarna tek poetkom ovog veka

kada su i napravljeni prvi modeli koji uspeno koriste ovu tehnologiju. Razlog za takokasnu pojavu lei, kao to smo ve naveli u mitovima koji su okruivali sam vodonik kaoopasnu supstancu i, naravno, kao to je problem sa svim alternativnim gorivima itehnologijama, jak naftaki lobi i jaka automobilska industrija koja se bazira na tetnimmotorima sa unutranjim sagorevanjem. Kako vreme odmie i postajemo svesni rokatrajanja izvorita fosilnih goriva, polako se okreemo drugim izvorima energije i sve vieulaemo u njih, a jedna je i tehnologija pogona na vodonikove gorive elije.Kao najzastupljenijem prevoznom sredstvu, automobilu, prvenstveno emo se bazirati naopisivanje i poreenje motora koji se u njemu nalaze.

Primarna razlika u automobilu koji ima motor sa unutranjim sagorevanjem i automobila navodonik je u efikasnosti. Efikasnost motora SUS se kree od 10-15% to je minimum duplomanje od prevoznog sredstva iste klase na vodonik ija je efikasnost od 30 -50%. Razlikaje velika zbog naina rada samog motora jer se kod motora SUS do energije dolazipaljenjem smee goriva i vazduha i na samom tom mestu otpadna toplota iznosi oko 85%to znatno umanjuje efikasnost na samom poetku. Druga prednost naravno je to jeautomobil, emisiono, potpuno ekoloki prihvatljiv. Kada bi se svaki automobil na svetu uovom trenutku zamenio automobilom koji koristi vodonik kao pogonsko gorivo, efekti bi bili

sledei:

Eliminisali bi se svi tetni gasovi efekta staklene bate, pod uslovom da je vodonikdobijen elektrolizom vode, jer se sadanja proizvodnja vodonika zasniva uglavnomna vodoniku iz fosilnih goriva. Emisija automobila na vodonik ne daje nikakav drugi

produkt osim vode. Postoji verovanje, da kada bi svi automobili izbacivali samo

vodu da bi to dovelo do drugih ekolokih problema. U procesu hlaenja SUSmotora dolazi do iste koliine emisija vodene pare koje izbaci jedan automobil nagorive elije. Ne raunajui koliinu vode, koja se kree od 6 litara za svaki litarbenzina, koja se potroi za preradu i preiavanje benzina.

Imaju manju emisiju toplote, to moe biti bitno u vojnoj industriji ( poznato je da u

recimo, avioindustriji, to veliki problemi jer postoje rakete na toplotno navoenje.Popularni bombarder F-117A ima izduvne grane koje alju toplotu navie da bi imse smanjio toplotni trag koji ostavlja za sobom, time poboljavajui svojunevidljivost. Znaajan je i za mornaricu jer u podmornicama su tii motori navodonik i tei za uoavanje).

Rad motora na vodonik je znatno tii nego kod motora SUS.

Odravanje motora je mnogo jednostavnije i samim tim i jeftinije. Motrori na vodonik

imaju samo par pokretnih delova. Naravno da postoje razni oblici i veliine ali zbogformiranja opte slike naveemo samo jedan primer. Motor je teine ne preko


16/19

16

20kg, ima 5 pokretnih delova, ima 10000rpm (rounds per minute/ obrtaja u minuti) i

ima snagu estocilindrinog motora. Prema nekim podacima, odravanje se radi nasvakih 7200 sati rada motora to jeste manje od motora SUS ali se radi napoveavanju izdrljivosti.

Ako bi se gledala ira slika, eliminisala bi se fosilna zavisnost politiki nestabilnihzemalja.

Kao to sve ima svoje negativne strane, ni motori na vodonik nisu izuzetak i one susledee:

Priprema vodonika za gorivo je i dalje tehnoloki zahtevna i skupa i ne spada utehnologije koje tite ivotnu sredinu.

Transport i distribucija, kao i njegovo skladitenje i dalje predstavljaju zavidnuprepreku za masovno korienje ove tehnologije.

Sa ekvivalentom goriva, automobil na vodonik prelazi manje distance, ne gledajuiu cenu i isplativost nego samo istu kilometrau.

Duina punjenja rezervoara je dua nego kod benzinskih motora i u zavisnosti odpritiska koji vam je potreban za rezervoar traje od 10-30 minuta.

Trenutno su skupi za masovnu proizvodnju jer veina delova se pravi runo.

U njihovoj izradi se koriste skupi materijali, kao to je platina.

Deavaju se problemi pri paljenju pri niskim temperaturama od -20C.

to se tie bezbednosti automobila sa vodoninim rezervoarom, ona se uvek dovodila upitanje zbog zapaljivih svojstava vodonika. Prema mnogima nanicima i proizvoaima,ovo gorivo, ako se pravilno rukuje sa njim je bezbednije od svih goriva koje sada imamo u

upotrebi. U.S. Department of energy objavila je da ova goriva pri otvorenim sudarima su

daleko bezbednija od klasinog benzina, i ista, ako ne i bolja u odnosu na prirodni gas. Presvega, vodonini rezervoar je napravljen od ugljeninih vlakana i elastigan je i pri direktnimsudarima. Kao i sve stvari takvih karakteristika, dizajnirana su da izdre i do 2.5 puta veipritisak od dozvoljenog. Nee im nakoditi ni direktan pogodak iz vatrenog oruja jer jevrstina vlakana i do 10 puta vea nego kod elika. Takoe, u modernim verzijamaautomobila razvijeni su senzori koji detektuju i najmanje curenje gasa i koji pri sudarima

automatski zatvaraju ventile i spreavaju dotok struje iz baterija da bih se spreilaeventualna paljenja gasa.

Ako se uzmu i hemijske karakteristike gasa, kao to su gustina, vodonik ima 7% gustinuvazduha dok, na primer, prirodni gas ima gustinu 55%, benzin do 4 puta veu gustinu(400%), a propan oko 150%. To ini vodonik mnogo manje opasnim jer kada se ispusti ilidoe do curenja brzo se die u visinu i mea sa vazduhom to smanjuje opasnost od

paljenja. Takoe, i u sluaju najgoreg scenarija, da se dogodi sudar u tunelu, da doe docurenja gasa i da se oformi vodonini mehur koji bi imao izvor varnice ili otvorenog


17/19

17

plamena koji bi ga doveo do paljenja, vodonik jako brzo sagori. Od momenta paljenja do

njegovog potpunog sagorevanja proe neto vie od pola sekunde to znai da sve to jeu okolini dolazi u kontakt sa plamenom manje od jedne sekunde, dok bi nakon eksplozije

rezervoara sa benzinom, vatra nastavila da gori. Takoe, isticanje vodonika, bezeksplozije, ne bi doprinelo zagaenju ivotne sredine i posledica po zdravlje oveka kaoto je sluaj sa konvencionalnim gorivima.Pored automobila, gorivne elije su nale primenu i u svim drugim prevoznim sredstvima.Jedan od prvih automobila komercijalne prirode bila je Honda FCX Clarity koja sepojavila 2006. godine kao koncept vozilo da bi 2008. ve krenula u komercijalnuproizvodnju, naravno, srazmerno potranji trita i lokacijama koje mogu da podrefunkcionisanje ovakvog vozila. Njena poetna cena je bila oko $120.000. Nakon Honde,krenule su u istraivanje i pravljenje koncepta i Daimler, Hyundai, Toyota, Renault usaradnji sa Nissan-om i jo mnoge druge. Naravno, kasnije su se sve ukljuile u razvoj ovevrste automobila zbog eventualnof budueg trita. Na primer, kompanije BMW je

napravila oko 100 tipova hibridnih modela BMW 7 series, iji motor moe da pokree ibenzin i vodonik i prebacivanje sa jednog izvora na drugi se vri kao u standardnimautomobilima na auto gas, koje e pokloniti svojim najvernijim, to jest najbogatijimkupcima, kao auto koji e koristiti u svakodnevnoj upotrebi u razmenu za njihova iskustva isavete kako bi mogli da unaprede svoj automobil.

to se tie masovnog prevoza, vodonik je naao primenu i u autobusima. U evropi postojiprojekat CUTE( Clean Urban Transport fou Europe) koji podrazumeva korienje 47 autobusa u 10 zemalja na 3 kontinenta. Uglavnom u glavnim gradovima zemalja uesnicaprojekata. Projekat je zapoet 2001. godine da bi se prvi autobusi nali na ulicama samo 2

godine kasnije. U odnosu na dizel autobuse, bre ubrzavaju do 50 km/h, dok su dizeli briu ostvarivanju brzine do 80km/h (neloginost se stvara zvog poveane kompresijevazduha koju treba dovesti eliji za povean rad), tei su u proseku za 3 tone, spoljanja iunutranja buka su manje u proseku za 15dB i naravno, potronja goriva je upola manjana 100km.

Nali su primenu i u motociklizmu, pionir je Britanska kompanija Inteligent energy samodelom ENV (Emission Neutral Vehicle).Nema potrebe napominjati i sve vrste, kamiona, traktora i kombija, aviona i podmornica jer

je princip slian.Zanimljivo je napomenuti da su jo 1960. ih godina gorive elije ulazile u sastavsvemirskog broda projekta Apolo. inile su ih tri jedinice ukupne teine od oko 350kg iproizvodile su elektrinu energiju u rasponu od 1.5 do 2.2 kWh u kratkim peri odima. Poredtoga to su radile 10.000 sati bez problema, snabdevale su astronaute i vodom za pie.


18/19

18

8. ZAKLJUAK

Suoeni sa tekim problemima rasta populacije i sve veom potrebom za energijom svese bre pribliava momenat u kome emo, ako se na vreme ne transformiemo uenergetski odgovorno drutvo, doi u stanje u kome neemo moi da funkcioniemo nanain na koji smo navikli i pored nedostatka fosilnog goriva ui i u stanje anarhije koje tajnedostatak neminovno nosi. Jedno od spasonosnih reenja moe biti i vodonik,najjednostavniji i najrasprostranjeniji element u prirodi. Ne kae se uzalud da sunajjednostavnija reenja najee i najbolja. Vodonik kao gorivo i tehnologija gorivnihelija se savreno uklapaju u ivot na koji smo navikli i zasigurno, ako je ve u ovommomentu, prelazak na alternativna goriva korak u nazad, sa vodonikom je to najmanji.

Nita tee nije doi do vodonika i preraditi ga u gorivo nego to je buenje nafte sanaftnih platformi koje zahtevaju nerealno velike dubine i ulaganja, ta vie, mnogo je

prostije. Istina, u ovom momentu, treba vam desetak minuta da napunite rezervoar, ali toje mala cena u odnosu na ono to dobijate u vidu nepostojeih zagaujuih emisija. tavie, za razliku od elektrinih automobila, ne treba vam 4 sata punjenja za svakih100km. Izvor vodonika ne zavisi od viih sila obazirui se solarnu i energiju vetra, oenergijama plime i oseke i da ne govorimo, ne zavisi od dostupnosti sirovina, kao to jesluaj kod biomase, zavisi samo od nas samih. Sve to nam treba moemo pronai uovom elementu koji e nam za uzvrat dati malo sporija, samim tim i bezbednija kola,isto napajanje naih domova i zgrada smanjenje tetnih materija u vazduhu a samimtim i slabiji efekat staklene bate i vodu.


19/19

19

9. LITERATURA

Internet adrese:

http://americanhistory.si.edu/fuelcells/origins/orig3.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Direct_carbon_fuel_cell

http://www.qtww.com/

http://www.mcphy.com/en/

http://heshydrogen.com/hydrogen-fuel-cost-vs-gasoline/

http://www.fuelcellenergy.com

http://www.utcpower.com/products

http://www.hydrogen-fuelcells.com/2012/10/hydrogen-fuel-cells-pros-and-cons.html

http://open-source-energy.org/forum/showthread.php?tid=833

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

http://www.global-hydrogen-bus-platform.com/http://www.fuelcelltoday.com/about-fuel-cells/history

http://www.ballard.com/

http://en.wikipedia.org/wiki/Nafion

http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell#Comparison_of_fuel_cell_types

http://en.wikipedia.org/wiki/Alkaline_fuel_cell#Commercial_prospects

http://www.netinform.net/h2/h2mobility/Detail.aspx?ID=275

gorivne celije seminarski

Documents