laboratorij za termoenergetiko - university of...
TRANSCRIPT
Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje gorivnih celic
Najbolj uveljavljeni tipi gorivnih celic
• Obstaja veliko različnih vrst gorivnih celic, najpogosteje se jih razvršča glede na vrsto elektrolita
• Obratovalna temperatura je pogojena z izbiro elektrolita
• Med najbolj uveljavljenimi je največ RR usmerjenega v PEMFC in SOFC
Tehnologija gorivnih celic 2
PEMFC PAFC AFC MCFC SOFC
elektrolit polimerna membrana
(perflorirana sulfonska kislina) H3PO4 KOH taljeni karbonati keramika
nosilec naboja H+ H+ OH- CO32- O2-
obratovalna temperatura (°C) 80 200 60 - 220 650 600 - 1.000
katalizator platina platina platina nikelj nikelj-perovskiti (cermet)
osnovni material komponent ogljik ogljik ogljik nerjavno jeklo keramika
gorivo H2, metanol H2 H2 H2, zemeljski, sintezni plin H2, zemeljski, sintezni plin
notranji reforming ne ne ne da da
el. izkoristek (%) 40 - 50 40 50 45 - 55 50 - 60
gostota moči (mW/cm2) 500 - 2.500 150 - 300 150 - 450 100 - 300 250 - 500
izstopna moč (kW) 0,001 - 1.000 50 - 1.000 1 - 100 100 - 100.000 10 - 100.000
Najbolj uveljavljeni tipi gorivnih celic
Tehnologija gorivnih celic 3
Pretvorba energije iz goriv v elektriko
Krožni procesi:
gorivo
zgorevanje
dimni plini para mehanska energija
električna energija
prenosniki toplote
turbina generator
4 Tehnologija gorivnih celic
Pretvorba energije iz goriv v elektriko
Krožni procesi:
gorivo električna energija
? Gorivne celice
gorivo
zgorevanje
dimni plini para mehanska energija
električna energija
prenosniki toplote
turbina generator
Neposredna pretvorba:
5 Tehnologija gorivnih celic
Prednosti in slabosti gorivnih celic
+ boljši izkoristek kot pri krožnih procesih
+ ni škodljivih emisij na mestu porabe (čisti vodik)
+ ni gibljivih delov (trenje, obraba)
+ nizka stopnja hrupa (razpršena uporaba pri odjemalcih)
pridobivanje in priprava goriva (vodika)
tehnologija izdelave komponent GC
problemi pri delovanju
občutljivost in iztrošenje katalizatorjev
dragi (redki) materiali
recikliranje materialov po dobi uporabe
6 Tehnologija gorivnih celic
Uporaba PEMFC
Tehnologija gorivnih celic 7
< 1 W 40 W 1 kW
3 - 5 kW
10 - 30 kW
100 kW 150 - 300 kW
2 MW
Komponente PEMFC
• PEMFC sestavljajo naslednje komponente:
– Membransko-elektrodni sklop (MEA)
• Elektrodi
• Elektrolitna membrana
– Bipolarni plošči
– Tesnili
• Elektrokemijska reakcija se odvija na t.i.
trifaznem stiku (reaktant, katalizator, elektrolit)
Tehnologija gorivnih celic 8
BIPOLARNA PLOŠČA
TESNILO
ELEKTRODA
TESNILO
MEMBRANA
BIPOLARNA PLOŠČA
MEA
Komponente PEMFC
Elektroda
• primerno porozna (dostop reaktantov ter odvod produktov)
• dobro električno in toplotno prevodna
• sestavljata jo difuzijska (makroporozna in včasih še vmesna mikroporozna plast) in katalitična plast
– Katalitična plast
• katalizator je platina ali zlitine platine
nanešena na ogljikovo podporo
• velika aktivna površina katalizatorja
– Difuzijska plast:
• navadno narejena iz grafitnih vlaken
Elektrolitna membrana
• prevodna za protone in neprevodna za elektrone
• vlažnost pogojuje prevodnost protonov
• ustrezna debelina (ohmske izgube, prehajanje vodika)
• navadno polimer na osnovi perfluorosulfonske kisline (Nafion®)
Tehnologija gorivnih celic 9
Komponente PEMFC
Membransko-elektrodni sklop
Tehnologija gorivnih celic 10
Komponente PEMFC
Bipolarne plošče
• dobro električno in toplotno prevodne
• neprepustne za pline
• kemijsko in temperaturno obstojne
• mehansko trdna
• čim tanjša (boljši prevod elektrike in toplote, prihranek pri prostornini in masi)
• ustrezno zasnovani kanali pretočnega polja
• navadno iz grafita, grafitnih kompozitov ali tanke nerjavne pločevine
Tehnologija gorivnih celic 11
VSTOP
IZSTOP
a) VSTOP
IZSTOP
b)
VSTOP
IZSTOP
c) VSTOP
IZSTOP
d)
VSTOP
IZSTOP
a) VSTOP
IZSTOP
b)
VSTOP
IZSTOP
c) VSTOP
IZSTOP
d)
Komponente PEMFC
Tesnila
• kemijsko obstojna na različne snovi (kisline, kisik, vodik, voda, para, metanol, …)
• temperaturno obstojna
• dovolj mehka, da se prilegajo naležnim materialom in ne potrebujejo pretiranih tlačnih sil za zagotavljanje tesnjenja
• ustrezna oblikovna zasnova (ploščata, O-ring, ...)
• najbolj pogosti materiali so Teflon™ (PTFE), silikonska guma, Viton® in Kalrez®.
Tehnologija gorivnih celic 12
Sklad PEMFC
• moč gorivne celice je omejena:
– proizveden el. tok je lahko velik (definira ga velikost površine elektrod)
– proizvedena napetost je nizka (U < E0 = 1,23 V)
• večje moči se dosega z zaporedno električno vezavo GC v sklad gorivnih celic
Tehnologija gorivnih celic 13
Sklad PEMFC
Zahtevne naloge
• homogena porazdelitev reaktantov -> elektrike -> toplote
• priprava in ravnanje s tekočinami (vlaženje, odvajanje vode)
• senzorika in krmiljenje (pretoki, temperatura, delovna točka, ...)
• izbira materialov (ustreznost, degradacija)
• pritisna sila (tesnjenje, kontaktne upornosti)
• hlajenje, izolacija
• ...
Tehnologija gorivnih celic 14
Sklad PEMFC
Tehnologija gorivnih celic 15
Ballard Nexa (1,2 kW)
Ballard FCvelocity®‐9SSL (4 - 20 kW)