SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 2286

Makroskopsko modeliranje PEM gorivnih ćelija

Matija Šinko

Zagreb, rujan 2009.

Matija Šinko

0036414485

i

Sažetak U radu je objašnjeno korištenje vodika u smislu dobivanja električne energije

putem gorivih članaka. Pri tome se posebna pozornost poklanja gorivnim

člancima koji koriste tzv. PEM (Proton Exchange Membrane) tehnologiju, kao

tehnologiju koja se koristi u stacionarnim postrojenjima.

Nadalje, u radu je opisan i projekt realiziran u KONČAR - Institutu za

elektrotehniku, projekt Vodik. U okviru tog projekta realizirana je kogeneracija

nazivne izlazne snage 10 kWe i 10 kWt, koja koristi prirodni plin i izdvaja vodik

procesom reformacije, te primjenom gorivih članaka proizvodi električnu i

toplinsku energiju. Prikazana su primijenjena tehnička rješenja i ukazano na

određene probleme prisutne u realizaciji projekta.

Prikazan je i izračun učinkovitosti podsustava i sustava kao cjeline.

ii

Sadržaj

1. UVOD ...................................................................................................................... 1

1.1. Gorivni članak – elektrokemijski pretvarač energije ......................................... 3

2. SVOJSTVA I KARAKTERISTIKE PEM GORIVNIH ČLANAKA ............................... 6

2.1. Fizikalne pojave u PEM članku i svežnju ......................................................... 8

2.2. Hlađenje svežnja ............................................................................................ 11

2.3. Polarizacijska krivulja - radna karakteristika ................................................... 12

2.4. Korisnost PEM gorivog članka ....................................................................... 13

2.5. Gorivi članak i podsustavi ............................................................................... 15

3. PROJEKT KOGENERACIJE S PRIRODNIM PLINOM I PRIMJENOM GORIVNIH ČLANAKA ..................................................................................................................... 16

3.1. Tehnički opis postrojenja ................................................................................ 17

3.2. Integracija postrojenja .................................................................................... 19

3.3. Oprema .......................................................................................................... 20

3.4. Reformer ........................................................................................................ 20

3.5. Gorivi svežanj ................................................................................................. 23

3.6. Pretvarači DC/AC ........................................................................................... 25

4. UČINKOVITOST SUSTAVA .................................................................................. 27

4.1. Teorijska učinkovitost gorivne ćelije ............................................................... 27

4.2. Carnotova učinkovitost ................................................................................... 31

4.3. Teorijska učinkovitost sustava ........................................................................ 32

5. PRORAČUN UČINKOVITOSTI ZA POSTROJENJE ............................................ 37

5.1. Rezultati mjerenja ........................................................................................... 42

6. ZAKLJUČAK .......................................................................................................... 44

7. LITERATURA ........................................................................................................ 45

iii

Popis oznaka i kratica FC- fuel cell (gorivna ćelija)

PEM - Proton Exchange Membranes (gorivni članci s polimernom membranom)

SOFC- Solide Oxide Fuel Cell (gorivni članci s krutim oksidom)

MCFC- Molten Carbonate Fuel Cell ( gorivni članci s rastopljenim karbonatom)

HHV- higher heating value (gornja ogrjevna vrijednost)

LHV- lower heating value (donja ogrjevna vrijednost)

iv

Popis tablica Tablica 1. Vrsta gorivih članaka, kemijske reakcije i njihove osnovne tehničke značajke ........................................................................................................................................ 5 Tablica 2. Stupanj korisnosti za neke pretvorbe energije [5] ........................................ 14 Tablica 3. Ulazni i izlazni podaci pretvarača ................................................................. 26 Tablica 4. Raspon učinkovitosti, parametara i konstanti [2] .......................................... 36 Tablica 5. Popis mjerenja ............................................................................................. 39 Tablica 6. Rezultati mjerenja ........................................................................................ 42

v

Popis slika Slika 1. Vrste gorivih članaka, radne temperature i goriva ............................................. 4 Slika 2. Korisnost različitih tehničkih rješenja pretvorbe energije u električnu ................ 4 Slika 3. Princip rada PEM gorivnog članka ..................................................................... 6 Slika 4. Princip rada PEM gorivog članka ....................................................................... 7 Slika 5. Makroskopska i mikroskopska građa gorivog članka ......................................... 8 Slika 6. Prikaz rada PEM gorivnog članka ...................................................................... 9 Slika 7. Polarizacijska krivulja (radna karakteristika) i specifična snaga u funkciji gustoće struje (struje po jedinici površine membrane) realnog PEM gorivnog članka . 12 Slika 8. Ekvivalentna električna shema gorivog članka u spoju s teretom .................... 13 Slika 9. Ovisnost korisnosti PEM gorivog članka o gustoći izlazne električne snage uz gornju ogrijevnu moć vodika (za članak čija je radna karakteristika prikazana na slici 7.) ...................................................................................................................................... 14 Slika 10. Primjer sheme svežnja gorivih članaka i nužnih podsustava za funkcioniranje ...................................................................................................................................... 15 Slika 11. Energetski tokovi elektroagregata na plin s kogeneracijom spojenog na električnu toplinsku mrežu ............................................................................................ 16 Slika 12. Shema postrojenja s gorivim člancima i kogeneracijom ................................ 17 Slika 13. Postrojenje kogeneracije Slika 14. Kogeneracija iznutra ................. 19 Slika 15. DC/AC pretvorba i upravljanje Slika 16. Priključak toplovodne mreže .......... 19 Slika 17. Ulazni i izlazni parametri za reformer ............................................................. 22 Slika 18. Gorivni svežanj .............................................................................................. 23 Slika 19. Ovisnost napona i struje u gorivom svežnju tj. izlazna snaga gorivnog svežnja u kW.............................................................................................................................. 24 Slika 20. Pretvarač DC/AC ........................................................................................... 25 Slika 21. Tok energije ................................................................................................... 27 Slika 22. Prikaz toka energije ....................................................................................... 27 Slika 23. Prikaz Carnotovog ciklusa ............................................................................. 31 Slika 24. Prikaz sustava ................................................................................................ 32 Slika 25. Shema sustava .............................................................................................. 38

1

1. UVOD

U današnjem brzorastućem društvu sve je veća potreba za energijom. Danas se

još uvijek oko 82,5% svih energetskih potreba [1] pokriva iz neobnovljivih izvora

što je dugoročno neodrživo. Čovječanstvo će fosilno bogatstvo koje je stvarano

milijune godina spaliti samo unutar nekoliko stotina godina. Mora se misliti i na

buduće generacije i to ne samo na rezerve fosilnih goriva koja su i kemijske

sirovine nego i na zagađenje okoliša jer se njegovim izgaranjem oslobađaju štetni

plinovi koji uzrokuju promjenu klime, zagađenje zraka i bolesti.

Značajan dio promjena u energetskoj strukturi biti će povezan s obnovljivim i

distribuiranim izvorima. Obnovljivi energetski izvori odnose se na energetske

izvore koji čine dostupnom energiju iz obnovljivih izvora poput biomase, sunca,

vjetra, vode, plime, morskih struja, te niza drugih izvora. Po prirodi tehničkih

rješenja za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora radi se o izvorima

nešto manjih snaga nego kod klasičnih izvora energije. Hidro energija u tehničkoj

realizaciji omogućuje gradnju značajno većih energetskih objekata, no

konvencijom se obnovljivim izvorom smatraju samo male hidroelektrane čije se

snage kreću do 10 MW. Distribuirani izvori su energetski izvori koji proizvode

energiju na mjestu gdje se ta proizvedena energija značajnim dijelom i troši.

Prednosti distribuiranih izvora su u većoj sigurnosti opskrbe energijom i manjim

troškovima prijenosa energije. Obzirom na razinu potrošnje distribuirani

energetski izvori su obično manjih nazivnih snaga, a veličina im je određena

veličinom potrošnje na dotičnom mjestu.

Poveznica obnovljivih i distribuiranih izvora je ta da su oba prisutna u proizvodnji

energije lokalno te da se značajan dio distribuirane proizvodnje energije realizira

ili može realizirati iz obnovljivih izvora.

Vodik i vodikove tehnologije u svezi su sa oba gore razmatrana pojma. Vodik se

pojavljuje kao energetski nositelj koji omogućuje pohranu proizvedene električne

energije. Primjena vodika omogućuje proizvodnju električne energije i topline pri

čemu je jedini izlazni otpadni proizvod voda. No vodik na taj način omogućuje i

supstituciju naftnih derivata u transportu.

2

Po strukturi tehničkih rješenja vodikova postrojenja za proizvodnju električne

energije i topline su manjih nazivnih snaga (do 1 MW), te su prikladna za lokalnu

proizvodnju energije. Stoga se sagledavaju kao dio distribuiranih energetskih

izvora.

Vodik se danas pretežno proizvodi reformiranjem ugljikovodika uz prisutnost

vodene pare ili se pojavljuje kao nusproizvod u kemijskim procesima. Elektroliza

kao način proizvodnje vodika je manje zastupljena no procjene govore da će

elektroliza u sprezi s obnovljivim izvorima biti dominantan izvor vodika u

budućnosti. Stoga se vodik i vodikove tehnologije razmatraju uz obnovljive izvore

kao pojam koji definira komplementarna rješenja obnovljivim izvorima.

Značaj vodika je prvenstveno u primjeni gorivnih članaka kao tehničkog rješenja

za proizvodnju električne energije, topline i potencijalno hladnoće. Gorivni članci

imaju široko područje primjene u raznim granama industrije. Uglavnom se traže

tehnološka rješenja za nižu proizvodnu cijenu i dulji životni vijek.

Rade se mikroprijenosni uređaji s gorivnim člancima kao što su elektronički

aparati poput mobilnog telefona, kompjutera, radioaparata, zatim ručni električni

alat, prijenosne svjetiljke i niz sličnih aparata ili alata. Rade se i prijenosni

generatori i uređaji za besprekidno napajanje s gorivnim člancima. U stacionarnim

postrojenjima realiziraju se s tri tehnologije SOFC(Solide Oxide Fuel Cell- gorivni

članci s krutim oksidom), MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell- gorivni članci s

rastopljenim karbonatom) i PEM (Proton Exchange Membranes- gorivni članci s

polimernom membranom). Prisutna su demonstracijska i pretkomercijalna rješenja

sa SOFC tehnologijom reda veličine 250 kWe - MTU Njemačka i MCFC

tehnologijom reda veličine 100 kWe (Westinghouse-Siemens). PEM tehnologija u

stacionarnim postrojenjima ulazi u primjenu za opskrbu obiteljskih kuća (Japan,

SAD ) s proizvodnjom električne energije u rasponu od 1-5 kWe. Značajna je

primjena gorivnih članaka i u autoindustriji. Gorivni članci otvaraju neka nova tržišta i tehnologije i imat će nesumnjivo veliku

primjenu u budućnosti.

3

1.1. Gorivni članak – elektrokemijski pretvarač energije

Princip rada gorivog članka otkrio je engleski fizičar William Grove još 1839., a što

je predstavljalo narednih 100 godina znanstveni kuriozitet bez primjene. Pravu

afirmaciju i prvu praktičnu primjenu gorivi članci su doživjeli u američkom

svemirskom programu kada je General Electric razvio prvi članak s polimernom

membranom koja je bila upotrijebljena u Gemini programu ranih 60-tih, a upotreba

gorivnih članaka nastavila se i u Apollo programu gdje su korišeni tzv. alkalni

članci. Danas su gorivi članci kao elektrokemijski pretvarači energije u sferi

interesa mnogih znanstvenika i poduzetnika, te prelaze iz istraživačke faze u

demonstracijsku i polagano u komercijalnu.

Gorivi članak je po nekim dijelovima i procesima sličan Voltinom članku – bateriji.

Gorivi članak ima elektrolit, negativnu i pozitivnu elektrodu i proizvodi istosmjernu

struju putem kemijske reakcije. U odnosu na bateriju gorivi članak zahtijeva trajni

dotok goriva i kisika. Elektrode kod gorivog članka se kemijski ne mijenjaju u

odnosu na elektrode baterije čiji materijali su uključeni u kemijsku reakciju.

Baterija ne daje više struju kada se materijali koji sudjeluju u elektrokemijskom

procesu potroše – razgrade. Neke baterije se mogu ponovo napuniti što znači da

u njima prolaskom izvana dovedene struje ponovo nastaju materijali koji će se

elektrokemijskom reakcijom razgrađivati pri čemu će nastajati istosmjerni napon.

Gorivi članak prestaje stvarati struju kada nestane dotok goriva i kisika. Dok se

kisik uzima iz zraka, vodik kao gorivo se može dobiti reformiranjem iz

ugljikovodika u prirodnom plinu (CH4) ili iz tekućeg ugljikovodika u metanolu

(CH3OH) ili iz drugih plinova gdje je vodik vezan s CO2, N2 i CO ili pak

elektrolizom vode.

Još postoji jedna razlika između gorivog članka i baterije, a to je da kod gorivog

članka kao usputni produkt kemijske reakcije nastaje voda i toplina, tako da je za

pravilno funkcioniranje gorivog članka potrebna i dodatna oprema.

Postoji više vrsta gorivih članaka već prema elektrokemijskoj reakciji odnosno vrsti

elektrolita, a što ima utjecaja na radnu temperaturu i samu konstrukciju članka,

dakako time i primjenu. Pregled vrsta gorivih članaka, kemijske reakcije u njima

4

kao i njihove radne temperature, te najčešća područja primjene prikazani su na

slici 1. i tablici 1.

Slika 1. Vrste gorivih članaka, radne temperature i goriva

Slika 2. Korisnost različitih tehničkih rješenja pretvorbe energije u električnu [3]

5

Tablica 1. Vrsta gorivih članaka, kemijske reakcije i njihove osnovne tehničke značajke

Vrsta gorivnih članaka

Elektrolit Reakcija na anodi

Slo-bodni ioni

Reakcija na katodi

Radna temperatura

Gorivo Ciljana korisnost (el.) i područje snaga

Područje primjene

Članci na

metanol

(DMFC)

Polimerna

membrana

CH3OH+H2

O→6H++6

E-+CO2

H+ 3/2O2+6H+6

e-→3H2O

60-

120°C

Metanol 40%

1W…1kW

Prijenosni izvori

Alkalni

članci (AFC)

Kalijeva

lužina

H2+2OH-

→2H2O+2

E-

OH- 1/2O2+H2O+

2e-→2OH-

60-

220°C

Vodik

(ne tolerira

CO2)

65%

1kW…100

kW

Transport

Članci s

polimernom

membrano

m (PEMFC)

Polimerna

membrana H2→2H+

+2e-

H+ 1/2O2+2H++

2e-→H2O

60-

120°C

Vodik

(CO < 50

ppm)

45 - 60%

1W…100k

W

Vrlo široka:

-stacionarni izvori

- transport

Članci s

fosfornom

kiselinom

(PAFC)

Fosforna

kiselina H2→2H+

+2e-

H+ 1/2O2+2H++

2e-→H2O

160-

220°C

Vodik

(CO < 2%)

40 - 45%

10kW…1

MW

CHP* u javnim

zgradama

Članci s

rastopljenim

karbonatom

(MCFC)

Alkalijski

karbonati

H2O+CO3

→H2O+CO

2+2e-

CO32- 1/2O2+CO2+

2e-→CO32-

650°C Prirodni ili

bio plin

55 – 60%

100kW…1

0MW

CHP* u Industriji

Članci s

krutim

oksidom

(SOFC)

Metalni

oksid -

keramika

H2+O2-+2e- O2- 1/2O2+2e-

→O2-

800-

1000°C

Prirodni

plin

60 – 65%

1kW –

10MW

CHP* u:

-industriji

-javnim

zgradama

-stambenim

zgradama

CHP* – Combined Heat and Power (Kogeneracijsko postrojenje)

6

2. SVOJSTVA I KARAKTERISTIKE PEM GORIVNIH

ČLANAKA

Gorivi članci s polimernom membranom kao elektrolitom (Polymer Electrolyte

Membrane Fuel Cells – PEMFC) ili gorivni članci s membranom za razmjenu

protona (Proton Exchange Membrane Fuel Cells - PEMFC) imaju vrlo tanku za

protone vodljivu polimernu membranu. Katalizator je obično platina presvučena

ugljikom ili ako gorivo sadrži nešto ugljičnog monoksida, katalizator je legura

platine i rutenija. Radna temperatura im je između 60 i 80 °C. PEM gorivi članci

imaju danas široku mogućnost primjene posebno kao izvor električne energije u

stacionarnim postrojenjima s kogeneracijom i u električnim vozilima s pogonom na

vodik.

Slika 3. Princip rada PEM gorivnog članka

Princip rada PEM gorivog članka prikazan je na slici 3 i 4. Vidi se da je za njegovo

funkcioniranje - proizvodnju istosmjerne struje potrebno na katodu dovoditi kisik, a

na anodu vodik. Katoda i anoda su razdvojene srednje krutom polimernom

membranom - elektrolitom. Ta membrana ne smije voditi elektrone, ali treba voditi

7

ione - protone vodika. Prolazom iona vodika na katodi se u reakciji s kisikom iz

zraka stvara voda, na elektrodama nastaje potencijal i oslobađa se toplina. Na

obje elektrode prisutan je katalitički materijal koji omogućuje razdvajanje molekula

vodika i kisika na atome, odnosno formiranje iona. Materijali elektroda su čestice

ugljika po kojima su raspoređene čestice platine kao katalizatora. Gorivi članci se

serijski i paralelno vežu da bi se dobila istosmjerna struja traženih parametara.

Radne temperature PEM gorivih članaka kreću se od 60-70 °C, odnosno u

pojedinim tehničkim rješenjima i više. Međusobno povezani gorivi članci tvore

gorivi svežanj. Gorivi svežanj zahtijeva periferne instalacije za pripremu procesnih

veličina i odvod proizvedene energije, upravljanje procesom, te za mehaničku i

električku zaštitu.

Slika 4. Princip rada PEM gorivog članka

8

2.1. Fizikalne pojave u PEM članku i svežnju

Koncept makroskopske i mikroskopske građe prikazan je na slici 5. Obje su

elektrode napravljene od materijala koji su električki vodljivi i ujedno porozni za

molekule vodika odnosno kisika. Ključan sastojak elektroda su atomi katalizatora

koji djeluju na molekule vodika i kisika tako da se raspadnu na atome tj. ione.

Materijali elektroda su najčešće čestice ugljika po kojima su mjestimično

raspoređene čestice platine koja vrši funkciju katalizatora. Tako se stvara situacija

kada na anodnoj strani polimerne membrane nastaje potencijal protona vodika, a

na katodnoj strani potencijal iona kisika.

e-

H2O H2O

H21/2 O2

e-

e-

H+

H+

Bipolarnaploča

ElektrolitKatoda (+)

Anoda (-)

H2

2e- 2H+

Bipolarna ploča:- kolektor elektrona,- kanali za dovod vodika- nosiva konstrukcija

Grafitna vlakna:- zona plinske difuzije

Elektrolit (NafionTM):- protonski vodič- ne vodi elektrone

Grafitni substratsa zrncimakatalizatora (Pt):- zona reakcije

a) dva gorivna članka u svežnju b) mikroskopska građa anodne strane

Slika 5. Makroskopska i mikroskopska građa gorivog članka

Ako se električnim vodičem (vodljiv za elektrone ali ne i za ione) spoje anoda i

katoda, uslijed razlike potencijala kroz vodič poteče struja elektrona. Ta struja

može biti pretvorena u korisni rad ako se elektroni propuste kroz odgovarajuće

električno trošilo. Istovremeno ioni vodika (protoni) putuju kroz polimernu

membranu s anodne na katodnu stranu. Na katodnoj strani u susretu vodikovih i

9

kisikovih iona i vodikovih elektrona nastaje voda. Preduvjet efikasnog odvijanja

opisanog procesa je što je bolji istovremeni kontakt molekule reaktanta s

materijalom membrane (elektrolitom), materijalom katalizatora i materijalom kojim

protječu elektroni.

Slika 6. Prikaz rada PEM gorivnog članka

Polimerna membrana, katoda i anoda su osnovne komponente PEM gorivog

članka ali nisu dovoljne za praktično funkcioniranje. Katodi je potrebno dovesti

kisik i od nje odvesti vodu (na 80°C i normalnom tlaku voda je u tekućem stanju).

Osim toga istovremeno je potrebno odvoditi proizvedene elektrone. Debljina

polimerne membrane je oko 150 µm, debljina elektrodnog materijala 5 µm, a

tlocrtna površina članka može biti i nekoliko stotina kvadratnih centimetara (jakost

struje ovisi o površini). Dakle dužina i/ili širina membrane i elektroda za više

redova veličina nadmašuju debljinu membrane i obje elektrode.

10

Prevelike razlike u lokalnoj koncentraciji katalizatora, vodika, kisika, ili vode

dovode do razlika u lokalnoj temperaturi. Posljedica može biti lokalno

pregrijavanje (vruće točke) i posljedično tome poremećaj ili potpuni izostanak

funkcioniranja članka.

Ravnomjernost fizikalnih karakteristika membrane i elektroda osigurava se u

procesu proizvodnje komponenata, a ujednačenje koncentracije vodika, kisika i

odvođenje vode uvođenjem tzv. bipolarnih i monopolarnih ploča i difuzijskih

membrana. Bipolarne ploče izrađene su od električki vodljivog i mehanički krutog

materijala, npr. grafita, a imaju debljinu do nekoliko milimetara. S jedne i druge

strane u njima su urezani kanali za ravnomjerno dovođenje vodika (anodna strana

bipolarne ploče) i kisika (katodna strana bipolarne ploče). Ti su kanali tako

izvedeni da istovremeno imaju i što manji hidraulički otpor strujanju reaktanata.

Širina i dubina kanala su reda veličine milimetra. Budući da je napon otvorenog

kruga pojedinog gorivog članka ispod 1 V, potrebno je spojiti više članaka u seriju

da bi se dobili praktično upotrebljivi naponi od više desetaka volta. Zato bipolarne

ploče imaju i funkciju električnog povezivanja gorivih članaka u svežanj (engl.

Stack), a smjer elektrona je u njima od anodne prema katodnoj strani.

Monopolarne ploče su rubne ploče svežnja pa kanale za dovod/odvod reaktanata

i produkata reakcije imaju urezane kanale samo s jedne strane.

Da bi razvod kisika i vodika kanalima bipolarnih i monopolarnih ploča po površini

elektroda bio još ravnomjerniji, između njih i elektroda stavlja se tanki porozni

međusloj (grafitni papir ili grafitno tkanje – difuzijska membrana) koji omogućava

još ravnomjerniju raspodjelu reaktanata mehanizmom difuzije. Debljina grafitnog

papira je od 150 do 300 µm, a debljina grafitnih vlakana od kojih je građen grafitni

papir je oko 20 µm. Treba uočiti da je grafit električki vodljiv pa ne predstavlja

zapreku oslobođenim vodikovim elektronima.

Za dobar rad članka potrebno je osigurati da polimerna membrana ima

odgovarajući stupanj vlažnosti jer o njoj zavisi ionska vodljivost. Ovlaživanje se

može provesti dodavanjem vode struji vodika i/ili struji kisika (zraka). Odvođenje

vode kao produkta reakcije također je kritično jer presporo odvođenje vode dovodi

do preplavljivanja dovodnih kanala za kisik (zrak) pa se prekida reakcija.

11

2.2. Hlađenje svežnja

U svakom, pa i u PEM gorivnom članku tvari reaktanata (ovdje vodik i kisik) i

produkata reakcije (ovdje je to voda) se pomiču na makro skali (transport mase).

Međutim, za vrijeme opisanih zbivanja atomi makroskopski mirujućih tvari

polimerne membrane, te elektrodnog i katalitičkog materijala titraju oko svojih

ravnotežnih pozicija u strukturi materijala. Ta se titranja makroskopski

manifestiraju kao toplina odnosno temperatura materijala. Previsoka temperatura

dovodi do promjene makrostrukture i posljedično tome fizikalnih svojstava

posebno polimerne membrane. Ukratko, da bi gorivni članak dobro i dugo

funkcionirao ne smije se pregrijati. Radna temperatura PEM gorivog članka

određena je radnom temperaturom polimerne membrane koja iznosi oko 60-80°C

i vrelištem vode.

Odvođenje topline iz svežnja gorivih članaka moguće je na razne načine. Dio

topline odvodi se vodom koja je produkt elektrokemijske reakcije u članku, dio se

može odvesti ako se reaktanti kisik i vodik dovode u suvišku pa postoji ostatak

koji nije sudjelovao u reakciji ali je prošao kroz članak i preuzeo dio topline, a dio

se može odvesti tako da se pojedine ili sve bipolarne ploče hlade strujanjem vode,

a moguća je i prisilna ventilacija svežnja ugradnjom ventilatora za hlađenje

zrakom.

Dovod i odvod reaktanata i produkata reakcije, vlažnost i temperatura membrane,

napon i struja članka međusobno su spregnute veličine što ukazuje na

kompleksnost održavanja svežnja u funkciji.

12

2.3. Polarizacijska krivulja - radna karakteristika

Gorivi članak kao i svaki drugi pretvarač energije ima svoju radnu karakteristiku. U

ovom slučaju ona se naziva polarizacijska krivulja i u suštini predstavlja ovisnost

izlaznog napona članka o struji, slika 8. Idealna radna karakteristika je konstantni

napon 1.23 V. Realna krivulja nastaje kada se od idealne oduzmu padovi napona

uslijed različitih električnih pojava. Kod malih struja dominiraju tzv. aktivacijski

polarizacijski pad napona (elektrokemijske reakcije su prespore), u radnom

području dominira pad napona zbog unutarnjeg omskog otpora (otpor članka

treba biti što manji), a kod velikih struja koncentracijski polarizacijski pad napona

često nazivan i pad napona masenog transporta (reaktanti ne stignu dovoljno brzo

u zonu reakcije). Utjecaji pojedinih padova napona nisu linearni s promjenom

struje što se odražava na izgled polarizacijske krivulje, slika 7.

Slika 7. Polarizacijska krivulja (radna karakteristika) i specifična snaga u funkciji gustoće struje (struje po jedinici površine membrane) realnog PEM gorivnog članka

13

Električno ponašanje gorivog članka može biti modelirano ekvivalentnim

električnom shemom prikazanom na slici 8. koja može biti korištena za snimanje

polarizacijske krivulje ili identifikaciju parametara električne sheme gorivog članka.

A

V

R R

CR P

E 0

E C Teret

I CG

oriv

ni č

lana

k

R R - Radni otpor članka

R P - Otpor polarizacije

E 0 - Teoretski napon članka

C - Kapacitet

E C - Napon članka

I C - Struja članka

Slika 8. Ekvivalentna električna shema gorivog članka u spoju s teretom

2.4. Korisnost PEM gorivog članka

Teoretska korisnost gorivog članka definirana je kao odnos korisne električne

energije na izlazu i ulazne energije (entalpije vodika) određena na temperaturi od

25°C uz gornju ogrjevnu moć čistog vodika iznosi 83% (ili 94.5% na osnovi donje

ogrjevne moći).

Korisnost realnog članka ili svežnja je manja zbog čitavog niza mogućih utjecaja.

Npr. zbog utjecaja koncentracije reaktanata, polarizacijskih i omskih gubitaka

ona pada na 40 - 70%.

Budući da se raspoloživi vodik ne iskorištava u potpunosti, a dio proizvedene

energije se troši na gubitke nužnih podsustava (kompresija vodika i kisika,

ovlaživanje, cirkulacija rashladnog medija) učinkovitost pada na 35 - 65 %.

Uzimanjem u obzir gubitaka DC/AC pretvarača, mjerne i kontrolne opreme,

eventualnih drugih sistemskih komponenata, a posebno energetskih gubitaka kod

14

proizvodnje vodika reformiranjem prirodnog plina, korisnost se može smanjiti na

svega 20 - 30 %.

Korisnost realnog gorivog članka mijenja se sa gustoćom snage koju članak daje

u nekoj radnoj točki, slika 9.

Slika 9. Ovisnost korisnosti PEM gorivog članka o gustoći izlazne električne snage uz gornju ogrijevnu moć vodika (za članak čija je radna karakteristika prikazana na slici 7.)

Usporedbe radi u tablici br. 2 prikazani su stupnjevi korisnost za neke pretvorbe

energije.

Tablica 2. Stupanj korisnosti za neke pretvorbe energije [5]

15

2.5. Gorivi članak i podsustavi

Na slici 10. dan je shematski prikaz gorivog svežnja s podsustavima potrebnim za

funkcioniranje (ali bez mjernih senzora i elektronike za nadzor i upravljanje).

Gorivo (vodik) dovodi se iz spremnika, a kisik se u ovom sustavu dobavlja iz

zraka.

Slika 10. Primjer sheme svežnja gorivih članaka i nužnih podsustava za

funkcioniranje

16

3. PROJEKT KOGENERACIJE S PRIRODNIM PLINOM I

PRIMJENOM GORIVNIH ČLANAKA

U KONČAR–Institutu za elektrotehniku izgrađeno je energetsko postrojenje na

prirodni plin s PEM gorivim člancima i kogeneracijom, te priključcima na električnu

i toplinsku mrežu ulazne snage oko 25 kW.

Energetski tokovi elektroagregata s kogeneracijom prikazani su na slici 11., a

predviđeno je njihovo daljinsko upravljanje i vođenje pogonskih stanja po kriteriju

minimalnih troškova.

Slika 11. Energetski tokovi elektroagregata na plin s kogeneracijom spojenog na

električnu toplinsku mrežu

17

Prirodni se plin reformiranjem uz pomoć vodene pare pretvara većim dijelom u

vodik. Vodik se dovodi u gorivne članke gdje se proizvodi električna i toplina

energija. Istosmjerna struja pretvara se elektroničkim energetskim pretvaračima u

trofaznu izmjeničnu struju. Primopredajni sklop prati potrebe trošila u mreži i

postavlja zahtjeve na sustav kao cjelinu. Postrojenjem upravlja i nadzire rad

kompleksan sustav upravljanja.

Postrojenje je ušlo u probni pogon i u fazi je ispitivanja.

3.1. Tehnički opis postrojenja

U tijeku prve faze rada izgrađen je sustav (Slika 14.), koji se sastoji od dvije

paralelne jednake linije. Svaka je 5 kW električne i 5 kW toplinske nazivne snage.

Smještena je u posebno uređenome prostoru koji se sastoji od prostorije

kogeneracije izgrađene i verificirane kao eksplozivno ugrožen prostor, te

kontrolne prostorije u kojoj je smještena DC/AC pretvorba, upravljanje i mjerenja,

te spoj na električnu i toplinsku mrežu instituta. Napajanje je realizirano prirodnim

plinom instalirane snage 50 kW.

Slika 12. Shema postrojenja s gorivim člancima i kogeneracijom

18

Unutar reformera kao važne cjeline postrojenja prirodni plin se cijepa na vodik i

ugljični dioksid. Kemijska promjena se provodi postupkom reformiranja pri

temperaturama do 720°C uz prisustvo katalizatora i parne faze. Preostali ugljični

monoksid se naknadno transformira u ugljični dioksid bilo uz parnu fazu bilo

naknadnom oksidacijom u zasebnim reaktorima. Dozvoljena koncentracija

preostalog ugljičnog monoksida je 20 ppm. Izlazni reformat sastoji se od cca 75 %

H2, cca 20-25 % CO2 i do 2 % netransformiranog metana. Podsustav posjeduje

zasebni sustav upravljanja dinamikom procesa.

Gorivi svežanj kojeg čine električki serijski spojeni gorivi članci prihvaća reformat,

te na gorivim člancima proizvodi električnu energiju 150 A i 50 V istosmjerne

struje i toplinsku energiju ∼5 kWh.

Gorivi svežanj je ugrađen u podsustav koji gorivi svežanj snabdijeva procesnim

medijima i odvodi proizvode reakcije i električnu energiju. Svežnjevi su opremljeni

ovlaživanjem ulaznog zraka i podešeni su za topli start. Ovlaživanje reformata je

osigurano reformerom. Preostali gorivi materijal se povratno s anode gorivih

članaka vodi u reformer. Podsustav je opremljen vlastitim sustavom upravljanja

procesima. Na gorivom svežnju je uspostavljen sustav monitoringa napona na

svakome od 68 gorivih članaka. Proizvedena električna energija se preko mrežnih

pretvarača isporučuje lokalnoj mreži. Mrežni pretvarači su konfigurirani samo za

paralelni rad s mrežom. Posjeduju vlastiti sustav upravljanja uključivo i

sinkronizaciju s mrežom. Kvaliteta isporučene energije premašuje zahtjeve

postavljene standardima. Proizvedena toplina se pohranjuje i po potrebi

isporučuje toplovodnom sustavu instaliranom u objektima instituta.

Cjelokupno postrojenje je upravljano sustavom upravljanja vlastite proizvodnje koji

objedinjuje upravljački i mjerni sustav. Treba ukazati da je postrojenje izgrađeno

kao demonstracijsko postrojenje i laboratorij u kojem je uspostavljeno mjerenje

svih ulaznih i izlaznih veličina, te svih veličina između pojedinih podsustava

postrojenja. Od plinova mjeri se sadržaj vodika, ugljičnog monoksida i metana u

reformatu i povratnom anodnom plinu.

19

3.2. Integracija postrojenja

Slika 13. Postrojenje kogeneracije Slika 14. Kogeneracija iznutra

Slika 15. DC/AC pretvorba i upravljanje Slika 16. Priključak toplovodne mreže

20

3.3. Oprema

Postrojenje je kao što je prikazano na Slikama 13., 14., i 15. modularne strukture.

Integracija se provodi na nivou povezivanja modula u funkcionalnu cjelinu. Pri

tome su pojedini moduli izrađeni od malih, na svome području specijaliziranih

tvrtki nastalih kao rezultat višegodišnjeg financiranja istraživačko razvojnih

dosadašnjih Okvirnih programa EU, i prilagođeni su potrebama projekta.

Jedinicu za pretvorbu prirodnog plina u reformat – smjesu plinova proizvela je

firma HyGear, Nizozemska. Isporučene su dvije jedinice nominalne vrijednosti

izlazne ekvivalentne energije 5 kWe zajedno s podsustavom upravljanja.

Gorive svežnjeve proizvela je i isporučila tvrtka Nedstack, Nizozemska.

Isporučene su dvije jedinice nazivne snage 8 kWe zajedno s podsustavom

upravljanja.

Pretvarači DC/AC konfigurirani su kao dva trofazna priključka na mrežu.

Ugrađeno je ukupno 6 pretvarača nazivne snage 2.5 kW svaki.

Sustav upravljanja je modificirani sustav monitoringa vlastitog razvoja KONČAR –

MCM, koji je zasnovan na hardveru tvrtke National Instruments i izgrađen uz

pomoć softvera LabView.

3.4. Reformer

U postrojenju se nalazi reformer. To je jedinica za proizvodnju vodika iz prirodnog

plina. Reformer se sastoji od 4 modula: modul za pripremu goriva, modul za

proizvodnju vodika, modul za čišćenje i sustav za upravljanje. Svaki modul je

napravljen od različitih komponenti kao što su komora za odsumporavanje,

gorionik, reformer, nisko temperaturni prekidač i preferencijalna oksidacija. Sustav

za upravljanje sastoji se od računala, releja i prekidača.

Prirodni plin koji će biti reformiran prolazi kroz različite module. Osim naravno

kroz jedinicu za upravljanje. I gorionik je opskrbljen neovisno sa gorivom i zrakom

da bi se održala prava temperatura za proces reformiranja.

21

Opis sustava:

a) modul za pripremu goriva: komora za odsumporavanje

b)modul za proizvodnju vodika: gorionik, reformer

c)modul za čišćenje: nisko temperaturna redukcija CO (LTS), naknadna oksidacija

(PROX)

d)sustav za upravljanje: kontrolni ormarić

Gorionik zagrijava reformer. Do zapaljenja gorionika dolazi zbog prirodnog plina i

zraka ili anodnog plina iz gorivnog svežnja (kombinacija vodika, metana, ugljičnog

dioksida) i zraka. Kada se reformer zagrije na približno 700ºC prirodni plin ulazi u

sustav kroz komoru za odsumporavanje. Nakon što je sumpor odstranjen, prirodni

plin prolazi preko ventilatora i tri izmjenjivača topline u reformer. Voda se u tri

izmjenjivača topline pretvara u paru. Proizvedena para se dodaje protoku

prirodnog plina. Na temperaturama od približno 700 ºC počinje proces

reformiranja. Prirodni plin i para se pretvaraju ugljični monoksid, ugljični dioksid i

vodik.

Mješavina plina koja izlazi iz reformera zove se 'sirovi reformat'. Sirovi reformat

zatim ide u LTS (nisko temperaturna redukcija CO). U LTS-u ugljični monoksid se

odstranjuje iz reformata na temperaturama od oko 200 ºC. Nakon dvije faze u

LTS, reformat ulazi u PROX. PROX se također sastoji od dvije faze. Unutar

PROX-a još ugljikovog monoksida se odstranjuje na temperaturama od oko 120

ºC. Zrak se dodaje u PROX radi reakcije. Plin koji izlazi iz PROX-a se zove čisti

reformat. Sastoji se odprilike od:

• Vodik 75 - 80%

• Ugljični dioksid 17 – 19%

• Metan 0 – 2%

• Ugljični monoksid 10 ppm

22

REFORMER

demineralizirana voda

anodni plin

prirodni plin

dušik

zrak

rashladni medij

El. napajanje

reformat

rashladni medij

uzorak reformata

signalni podaci

ispušni plinovi

kondenzirana voda

podaci za odbranetočke rada

Slika 17. Ulazni i izlazni parametri za reformer

Napajanje reformera, 230V, 50 Hz, 16 A, faza 1+ N.

Ulaz prirodnog plina- 23 do 65 mbara(g)

23

3.5. Gorivi svežanj

U postrojenju se nalazi dva goriva svežanja od firme Nedstack, nazivne snage 8

kWe.

Slika 18. Gorivni svežanj

Jedinica je dizajnirana za proizvodnju električne snage iz vodika. Gorivi svežanj

čine električki serijski spojeni gorivni članci kojih ima 68. U gorivi svežanj ulazi

reformat (vodik 75 - 80%, ugljični dioksid 17 – 19%, metan 0 – 2%, ugljični

monoksid 10 ppm).

24

Gorivi svežanj je podsustav koji je opremljen vlastitim sustavom upravljanja

procesima. Postoji i povratni dio u kojem se višak gorivog materijala s anode

gorivog svežnja vraća nazad u reformer. Tako je učinkovitost sustava veća.

Napajanje gorivog svežnja, 230 V, 50 Hz. Iz gorivog svežnja dobiva se

istosmjerna struja. Postoji više režima ili načina rada gorivog svežnja. Maksimum

snage za ovo postrojenje bio bi oko 6, 6.5kW na 150A, 50 V istosmjerne struje.

Slika 19. Ovisnost napona i struje u gorivom svežnju tj. izlazna snaga gorivnog svežnja u kW.

25

3.6. Pretvarači DC/AC Pretvarači u postrojenju su kao dobavljači snage, napredni DC/AC inverteri.

Dizajnirani su za visoko učinkovite energetske pretvorbe od DC izvora napona iz

obnovljivih izvora energije kao što su gorive ćelije.

Slika 20. Pretvarač DC/AC

Istosmjerna struja pretvara se elektroničkim energetskim pretvaračima u trofaznu

izmjeničnu struju. U postrojenju nalazi se 6 pretvarača DC/AC. Smješteni su u

upravljačkom ormaru. Napravljena su kao dva trofazna priključka na mrežu.

Pretvarači su snage 2.6 kW. Kofigurirani su za paralelan rad sa mrežom. Imaju

vlastiti sustav upravljanja i sinkronizaciju s mrežom. Na glavnom izlazu DC/ AC

mjeri se napon, struja, tj. predana električna energija preko Iskrinog instrumenta

za mjerenje potrošnje električne energije.

26

Tablica 3. Ulazni i izlazni podaci pretvarača

DC napon (nominalna vrijednost) 36 V

DC napon raspon 30 V...70 V

DC struja (nominalna vrijednost) 70 A

DC struja (max.) 80 A

DC struja (limit) 90 A

DC snaga (max.) 3000 W

AC izlazni napon (nominalna vrijednost) 230 V

AC izlazni napon raspon 195 V... 253 V

AC izlazna struja (ukupna) 14.5 A max.

AC izlazna struja (mrežni izlaz) 13.5 A max.

AC izlazna snaga (ukupna) 2750 W max.

AC izlazna snaga (mrežni izlaz) 2600 W max.

faktor snage 0.99

frekvencija 50 Hz ± 0.1 Hz učinkovitost (VDCul,nom, IDCul,nom, VACiz,nom) > 87.5 %

27

4. UČINKOVITOST SUSTAVA

Učinkovitost bilo kakva energetskog sustava definirana je kao omjer između

korisne izlazne energije i ulazne energije. slika 21.

Eul Eiz

Egub η = EizEul

Slika 21. Tok energije

4.1. Teorijska učinkovitost gorivne ćelije

U slučaju gorivne ćelije korisna izlazna energija je proizvedena električna

energija. Ulazna energija je entalpija vodika tj. vodikova gornja toplinska

vrijednost (HHV), slika 22.

ΔH ΔG

Q=TΔS Δ𝐺 < Δ𝐻

Slika 22. Prikaz toka energije

28

Gdje je:

Δ𝐻 − gornja toplinska vrijednost vodika

Δ𝐺 − Gibbsova slobodna energija

Δ𝑆 − entropija

Toplinska vrijednost goriva predstavlja količinu topline koja se razvija pri

potpunome izgaranju jedinice količine goriva. (kJ/kg)

Gornja toplinska vrijednost goriva (HHV) je količina topline koja se oslobađa

potpunim izgaranjem jedinice količine goriva u uvjetima kada se nastala vodena

para iz dimnih plinova kondenzira te kada se dimni plinovi ohlade na temperaturu

od 0 ºC.

Donja toplinska vrijednost goriva (LHV) razlikuje se od gornje toplinske vrijednosti

za veličinu latentne topline isparivanja (kondenzacije) vodene pare iz dimnih

plinova, koja nastaje iz sadržane vlage i vodika u gorivu.

Tj. ako se kod sagorijevanja vodika prisutna dovoljna količina kisika ili zraka

produkt vode biti će u obliku pare i pomiješane s neizgorenim kisikom i tada se

dobije manje oslobođene topline (donja toplinska vrijednost).

Gornja toplinska vrijednost vodika iznosi Δ𝐻𝐻𝐻𝑉 = 286.02 𝑘𝐽𝑚𝑜𝑙−1 a donja

toplinska vrijednost Δ𝐻LHV = 241.98 kJ𝑚𝑜𝑙−1.

Gibbsova slobodna energija (G) jest energija oslobođena ili apsorbirana u

reverzibilnom procesu pri konstantnoj temperaturi i tlaku. Pod pretpostavkom da

je sva Gibbsova sloboda energija pretvorena u električnu energiju najveća

maksimalna teoretska učinkovitost gorivne ćelije je:

η =Δ𝐺

Δ𝐻𝐻𝐻𝑉=

237.34 kJ𝑚𝑜𝑙−1

286.02 kJ𝑚𝑜𝑙−1= 83 %

Takle, kod 25 ºC, iz 286.02 𝑘𝐽𝑚𝑜𝑙−1 raspoložive energije, 237.34 kJ𝑚𝑜𝑙−1 može

biti pretvoreno u električnu energiju a ostatak od 48.68 kJ𝑚𝑜𝑙−1 se pretvara u

toplinu.

29

Vrlo često se koristi donja toplinska vrijednost vodika (LHV) kod izračunavanja

učinkovitosti da bi se mogla usporediti s motorom s unutarnjim izgaranjem čija se

učinkovitost prikazuje sa donjom toplinskom vrijednosti goriva. U takvom slučaju

maksimalna teoretska učinkovitost gorivne ćelije bila bi:

η =Δ𝐺

Δ𝐻LHV=

228.74 kJ𝑚𝑜𝑙−1

241.98 kJ𝑚𝑜𝑙−1= 94.5 %

Upotreba donje toplinske vrijednosti u gorivoj ćeliji i u motoru s unutarnjim

izgaranjem je opravdana proizvodnjom pare u procesu. Treba paziti na razliku

između gornje i donje toplinske vrijednosti. Termodinamički je pravilnije uzimati

gornju toplinsku vrijednost u proračunima.

Učinkovitost se može prikazati i kao omjer potencijala. Teoretski potencijal

gorivne ćelije je, kod 25 ºC je:

𝐸 =−Δ𝐺𝑛𝐹

=237.34 kJ𝑚𝑜𝑙−1

2 · 96.485 As𝑚𝑜𝑙−1= 1.23 𝑉

Gdje je:

n- broj elektrona u molekuli

F- Faradejeva konstanta 96.485 𝐶/𝑒−𝑚𝑜𝑙

Učinkovitost možemo onda raspisati i kao omjer teorijskog potencijala gorivne

ćelije i potencijala koji odgovara vodikovoj gornjoj toplinskoj vrijednosti, 1.482 V.

η =−Δ𝐺−Δ𝐻

=−Δ𝐺𝑛𝐹−Δ𝐻𝑛𝐹

=1.23 𝑉

1.482 𝑉= 0.83

Za donju toplinsku vrijednost −Δ𝐻𝑛𝐹

iznosi 1.254 V.

30

Efikasnost gorivne ćelije u sustavu može se definirati i kao omjer između

proizvedene električne energije i potrošenog vodika.

η =𝑊𝑒𝑙

𝑊𝐻2

Električna energija je produkt struje i napona: 𝑊𝑒𝑙 = 𝐼 ∗ 𝑉 [W]

𝑊𝐻2 = Δ𝐻 𝐼𝑛𝐹

[W]

Δ𝐻 = vodikova gornja toplinska vrijednost (286 kJ𝑚𝑜𝑙−1 ) tj. 1.482 (gornja

jednadžba)

Kombiniranjem jednadžbi dobije se, za učinkovitost gorive ćelije (HHV):

η =𝑉

1.482

Za (LHV) dobije se:

η =𝑉

1.254

Vidimo da je učinkovitost gorive ćelije jednostavno direktno proporcionalna sa

potencijalom ćelije.

31

4.2. Carnotova učinkovitost Carnotova učinkovitost je maksimalna učinkovitost na kojoj topli stoj može

funkcionirati kada postoji razlika između dviju temperatura. Slika 23:

Qul

Qiz

Wiz

TH

TC

Slika 23. Prikaz Carnotovog ciklusa

η =Wiz

Qul= 1 −

TcTH

Carnotova učinkovitost ima malo praktične vrijednosti. To je maksimalna

učinkovitost hipotetskog stroja.

Carnotov učinkovitost se ne odnosi na gorivne članke jer gorivni članak nije

toplinski motor već energetski elektrokemijski pretvarač. Zbog tog razloga gorivna

ćelija koja radi pri niskim temperaturama kao npr. 60 ºC i predaje toplinu okolini na

npr. 25 ºC ima može imati veću učinkovitost od bilo kojeg toplinskog stroj a koji

radi između te dvije temperature.

32

4.3. Teorijska učinkovitost sustava

Teorijska učinkovitost gorive ćeilje je 83%, bazirano na vodikovoj gornjoj

toplinskoj vrijednosti. Prava učinkovitost gorive ćelije u sustavu je znatno niža

zbog raznih gubitaka (topline, kinetike elektroda, elektronski i ionski otpor,

transport mase). Dodatne komponente kao gorivi procesor, reguliranje snage i

regulacija cijelog postrojenja uzrokuju dodatne gubitke cijelog sistema. Slika 9-47

prikazuje blok dijagram općeg sustava sa gorivim člancima sa protokom energije

korištenim za definiranje učinkovitosti za pojedine korake.

Učinkovitost sustava je definirana kao odnos između izlazne električne energije i

energije goriva, predane sustavu.

ηsus=𝐸𝑖𝑧𝐸𝑢𝑙

Ova učinkovitost je u stvari produkt više učinkovitosti pojedinih komponenti:

ηsus =H

EulHut

HEFCHut

𝐸𝑖𝑧EFC

gorivo

neiskorišten H2

reformer PROX goriva čelija

upravljanje (pomoćni uređaji)

DC AC ili DC reformat+CO reformat(H2)

Slika 24. Prikaz sustava

33

Gdje je:

H - energija vodika proizvedenog u gorivom procesoru (produkt protoka

i toplinske vrijednosti u vatima)

Hut – energija vodika potrošena u gorivoj ćeliji elektrokemijskom

reakcijom (isto produkt protoka i toplinske vrijednosti u vatima)

EFC - snaga gorive ćelije (W)

Po definiciji ulazna energija i energija potrošena u gorivoj ćeliji su u vezi:

𝐻 = 𝑆𝐻2 · 𝐻𝑢𝑡

Učinkovitost reformera je definirana kao omjer između proizvedene energije i

ulazne energije sustava:

ηsus =H

Eul=𝑆𝐻2 · 𝐻𝑢𝑡

Eul

Učinkovitost reformera obično ne uključuje učinkovitost PROX-a tj. pred

oksidacije. Stohastički optimum kisika kod najmanjeg CO izlaza je između 2 i 3.

Učinkovitost PROX-a u tom slučaju je oko 95%.

Učinkovitost gorive ćelije ima dva dijela učinkovitost goriva i napona. Učinkovitost

goriva je definirana stohastički jer je vodik na ulazu u gorivu ćeliju razrijeđen.

Uobičajeno je da se za gorive ćelije uzima stohastički konstanta između 1.1 i 1.2.

Učinkovitost goriva je definirana kao omjer između vodika utrošenog u gorivoj

ćeliji i vodika koji je ustvari isporučen gorivoj ćeliji:

ηgoriva =Hut

H=

Hut

𝑆𝐻2𝐻𝑢𝑡=

1𝑆𝐻2

34

Neiskorišten vodik se rijetko kad ispušta u atmosferu. Obično se neiskorišten

vodik iz gorivog svežnja iskorištava za generiranje snagu u turbini ili u procesu

proizvodnje goriva (za grijanje goriva ili za generiranje pare ili u procesu

reformiranja pare može biti korišten kao gorivo i tako smanjiti potrošnju goriva tj.

smanjiti ukupnu učinkovitost).

Potrošnja goriva je:

𝐸𝑢𝑙 =𝑆𝐻2𝐻𝑢𝑡ηref

Potrošnja goriva smanjena zbog cirkuliranja vodika je:

𝐸𝑢𝑙 =𝑆𝐻2𝐻𝑢𝑡ηref

− (𝑆𝐻2 − 1)𝐻𝑢𝑡

Efektivna učinkovitost reformera je definirana kao što je prije prikazano kao omjer

između proizvedene energije i ulazne energije sustava je:

η𝑟𝑒𝑓𝑒𝑓 =

HEul

=𝑆𝐻2𝐻𝑢𝑡

𝑆𝐻2𝐻𝑢𝑡ηref

− (𝑆𝐻2 − 1)𝐻𝑢𝑡=

11ηref

+ 1𝑆𝐻2

− 1

Naponska učinkovitost gorive ćelije je:

ηFC =EFC𝐻𝑢𝑡

=Včelije

1.482

Proizvedena snaga prilagođava se željenim uvjetima tj. određenom naponskom

nivou i određenom tipu struje. Dio snage je potreban za vlastiti rad komponenti

35

sustava. Obično se uzima 12, 24 ili 42V gdje je potreban dodatan DC/DC

pretvarač.

Rezultirajuća preobrazba snage i učinkovitost sa vlastitom potrošnjom je:

ηFC =EizEFC

= (ηDC − ξ)

Za slučaj kada je vlastiti teret na istom nivou napona i struji kao i glavni teret sa

učinkovitosti od DC/DC ili DC/AC pretvarača ηDC. Koeficijent ξ je omjer između

energije potrebne za vlastitu potrošnju sustava i energije gorive ćelije.

ξ =EvpEFC

ηPC =EizEFC

= ηDC(1 −ξ

η𝐷𝐶𝑣𝑝)

Za slučaj kada vlastiti teret radi na nižem naponskom nivou i zahtjeva dodatnu

snagu sa pretvarača učinkovitosti η𝐷𝐶𝑣𝑝. Dana jednadžba je za slučaj kad oba

dvije pretvorbe električne snage imaju istu učinkovitost.

Ukupna učinkovitost sustava je:

ηsus = ηrefηPROXηgorivaηFCηPC

Očigledno za sustave vodik-kisik i vodik- zrak nema reformiranja pa je učinkovitost

onda:

ηsus = ηgorivaηFCηPC

36

Tablica 4. Raspon učinkovitosti, parametara i konstanti [2]

ηref ηPROX SH2 Včelije ηDC ξ ηsus

(HHV)

ηsus

(LHV)

Vodik-kisik

sustav

niska 1.01 0.8 0.93 0.05 0.48 0.56

visoka 1.01 0.85 0.96 0.003 0.53 0.62

Vodik-zrak

sustav

niska 1.05 0.7 0.93 0.10 0.37 0.44

visoka 1.01 0.8 0.96 0.05 0.49 0.57

Sustavi s

preradom goriva

niska 0.80 0.95 1.2 0.7 0.93 0.10 0.25 0.27

visoka 0.90 0.97 1.1 0.8 0.96 0.05 0.40 0.44

'Niske' učinkovitosti bi trebale ostvariti sa današnjom tehnologijom. Kod 'visokih'

učinkovitosti bi trebale bi se napraviti neke preinake i poboljšanja u reformiranju,

raspolaganje snagom i integraciji sistema.

Očigledno rješenje za poboljšanje ukupne učinkovitosti sustava bilo bi pogoniti

gorivu ćeliju većim naponima. Jer na snaga-napon karakteristici, veći napon znači

manju gustoću snage, što u praksi znači veća goriva ćelija za istu izlaznu snagu.

Poboljšanja katalizatora gorive ćelije, dizajn sloja na katalizatoru, materijali koji se

koriste za membranu i dizajniranje cijele gorive ćelije bi trebale rezultirati

poboljšanim karakteristikama i cjelokupnom učinkovitosti sustava. Za sada su

sustavi u pogonu puno ispod teoretske granice.

U slučaju kogeneracije ukupna učinkovitost se povećava (teoretski i do 90%).

𝑈𝑘𝑢𝑝𝑛𝑎 𝑢č𝑖𝑛𝑘𝑜𝑣𝑖𝑡𝑜𝑠𝑡 =𝑖𝑧𝑙𝑎𝑧𝑛𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖č𝑛𝑎 𝑠𝑛𝑎𝑔𝑎 + 𝑖𝑧𝑙𝑎𝑧𝑛𝑎 𝑡𝑜𝑝𝑙𝑖𝑛𝑎

𝑝𝑜𝑡𝑟𝑜š𝑛𝑗𝑎 𝑔𝑜𝑟𝑖𝑣𝑎

37

5. PRORAČUN UČINKOVITOSTI ZA POSTROJENJE

Prethodna ispitivanja obavljena su za svu energetsku opremu na nivou

podsklopova - reformer, gorivi svežanj, pretvarač u realnome radu. Sva mjerna

oprema je ispitana i kalibrirana.

Tijekom ispitivanja pojavio se niz detalja koje je trebalo izmijeniti, funkcionalno

unaprijediti ili prilagoditi potrebama. Spoznaje stečene tijekom ispitivanja

doprinijele su mogućnosti izrade bilanci energija i tvari, kao i protoka. Sagledani

su i prvi problemi i potrebe unapređenja energetske bilance pomoćnih pogona.

Potrebno je ukazati da su procesi koji se odvijaju unutar reformera i gorivnog

svežnja kompleksni termo-kemijski procesi te da je identifikacija dinamičkih

odgovora od izuzetne važnosti. Dodatnu kompleksnost upravljanju stabilnošću

rada daju i procesi kondenzacije vlage kroz procesnu liniju.

38

Slika 25. Shema sustava

39

Tablica 5. Popis mjerenja

Broj Naziv Instrumenti Broj Naziv Instrumenti

1 Tlačna sklopka dušika Danfoss 13 Mjerenje koncentracije H2 u anodnom plinu JCT

2 Mjerenje protoka plina Omiko Krohne H250

14 Mjerenje protoka anodnog plina Aalborg

3 Mjerenje električke potrošnje reformera

ISKRA-MIS WS0011 15 Mjerenje tlaka anodnog plina Hennlich

4 Mjerenje koncentracije H2 u reformatu JCT 16

Mjerenje temperature vode za hlađenje gorivnog članka

na izlazu

LKM electronics

5 Mjerenje koncentracije CO u reformatu JCT 17

Mjerenje protoka vode za hlađenje gorivnog članka na

izlazu Aalborg

6 Mjerenje protoka reformata Aalborg 18 Mjerenje DC napona

gorivnog članka

ISKRA-MIS. Pretvornik MI456 + Analogni pokazni

instrument BQ0207

7 Mjerenje temperature reformata Electrotherm 19 Mjerenje DC struje gorivnog

članka

ISKRA-MIS. Pretvornik MI456 + Analogni pokazni

instrument BQ0207 +

Shunt AR0101

8 Mjerenje tlaka reformata Hennlich 20

Mjerenje predane električke energije na glavnom izlazu DC / AC invertera. Napon,

struja i energija

ISKRA-MIS. MI401+ AR 0101 shunt za el. Ulaz

9 Mjerenje relativne vlažnosti reformata Eplus 21 Mjerenje električke potrošnje

pumpi u sustavu za grijanje ISKRA-MIS

WS0011

10 Mjerenje temperature

vode za hlađenje gorivnog članka na ulazu

LKM electronics 22 Mjerenje koncentracije H2 u

prostoriji- draeger

RKI Instruments. 65-2450RK

11 Mjerenje protoka vode za hlađenje gorivnog članka

na ulazu

Omiko. GPI turbinsko

mjerilo 23 Mjerenje koncentracije CH4

u prostoriji

RKI Instruments. 65-2390RK-

CH4

12 Mjerenje električke potrošnje gorivnog

članka

ISKRA-MIS WS0011 24 Mjerenje koncentracije CO u

prostoriji Draeger

40

Za učinkovitost sustava možemo pisati:

ηsus =(𝑃𝑒𝑙.𝑖𝑧 − 𝑃𝑣𝑝) + 𝑃𝑡 𝑖𝑧

𝑃𝑢𝑙

Gdje je:

𝑃𝑢𝑙 - ulazna snaga (W)

𝑷𝒆𝒍.𝒊𝒛 - električna snaga na izlazu (W)

𝑃𝑣𝑝 - vlastita potrošnja sustava (W)

𝑃𝑡 𝑖𝑧 - toplinski tok (W)

𝑃𝑢𝑙 = Eplina Energiju koju plin daje sustavu možemo odrediti iz protoka plina koji

se mjeri u 𝑚3/ℎ . Protok plina se može izmjeriti i u 𝑙/𝑚𝑖𝑛 koje lako preračunamo

u 𝑚3/𝑠 jer je 1𝑙 = 1𝑑𝑚3 .

Prema podacima iz gradske plinare Zagreb donja ogrjevna vrijednost prirodnog

plina je 34,193 𝑀𝐽/𝑚3. Iz tih podataka možemo dakle izračunati ulaznu energiju u

joulima po sekundi tj. u vatima.

1𝑘𝑊ℎ = 3.6 𝑀𝐽 1𝑊 = 1J1s

Električnu snagu na izlazu dobijemo množenjem vrijednosti napona i struje koju

pretvarači daju u mrežu.

𝑃𝑒𝑙.𝑖𝑧 = 𝑈 · 𝐼 [𝑊]

41

Izlaznu toplinu možemo izračunati iz razlike temperature vode na ulazu i izlazu u

toplinski spremnik. Toplina je energija koja prelazi sa jednog tijela na drugo zbog

postojanja razlike u temperaturi. Kada se temperature izjednače, toplina je

jednaka nuli. Jedinica za toplinu je džul [J]. Nama za izračun učinkovitosti sustava

treba snaga u vatima. A to je toplinski tok, oznaka Φ, s mjernom jedinicom u

vatima [W].

𝑄 𝑖𝑧 = m · 𝐜𝐩 · 𝚫𝐓 [J]

ΔT = T1 − T2 [K] , cp = 4186 J/kgK

Φ = ρ · cp · ΔT · Q [W]

Gdje je:

ρ - gustoća tekućine [kg/m3]

Q - volumni protok [m3/s]

cp - toplinski kapacitet tekućine [J/kgK]

m = ρ · v · A [kg/s] m = ρ · Q [kg/s]

Volumni protok, Q možemo očitati na instrumentu na ulazu u toplinski spremnik.

Očitani podaci su 𝑙/𝑚𝑖𝑛 koje lako preračunamo u 𝑚3/𝑠 jer je 1𝑙 = 1𝑑𝑚3 .

1 𝑙

𝑚𝑖𝑛=

160 · 103

𝑚3

𝑠

Gustoća vode iznosi ρ = 1000 kg/m3. Jedinica gram po litri (simbol: g/l ) je

identična jedinici kg/m3. Iz dobivenih podataka možemo izračunati toplinski tok u

vatima, toplina koju sustav predaje u toplinsku mrežu.

𝑃𝑡 𝑖𝑧 = 𝚽 = kgm3 ·

JkgK

· K ·𝑚3

𝑠=

Js

= W

42

Snaga koja se potroši na vlastitu potrošnju u sustavu iznosi:

𝑃𝑣𝑝 = 𝑃𝑟𝑒𝑓+ 𝑃𝐹𝐶 + 𝑃𝑜𝑝

Gdje je:

𝑃𝑟𝑒𝑓 -vlastita potrošnja reformera

𝑃𝐹𝐶 - vlastita potrošnja gorivnog svežnja

𝑃𝑜𝑝 – el. potrošnja ostale opreme

5.1. Rezultati mjerenja Zbog poteškoća održavanja cijelog sustava na mreži, izmjereni podatci

odgovaraju određenoj točki rada gorivnog svežnja na oko 2 kWe izlazne snage

koja je daleko od maksimalne snage od 6.3 kW (u praksi).

Tablica 6. Rezultati mjerenja

protok plina 15 l/min El.potrošnja reformera 400 W El.potrošnja ventilatora FC 414 W El.potrošnja gorivog svežnja 150 W El.potrošnja pretvarača 400 W El.potrošnja ostale opreme 60 W Temperatura T1 20 ºC Temperatura T2 30 ºC Napon gorivog svežnja VFC 52 V Struja gorivog svežnja IFC 40 A izlazni napon pretvarača Vp 230 V izlazna struja pretvarača Ip 8.6 A

𝑷𝒖𝒍 = 34,193 𝑀𝐽𝑚3 ·

1560 · 103

𝑚3

𝑠= 𝟖. 𝟓𝟒𝟖𝟐

𝒌𝑱𝒔

= 𝟖. 𝟓𝟒𝟖𝟐 𝒌𝑾

𝑷𝒆𝒍.𝒊𝒛 = 𝟏𝟗𝟖𝟎 𝑾

43

𝑷𝒗𝒑 = 𝑃𝑟𝑒𝑓+ 𝑃𝐹𝐶 + 𝑃𝑜𝑝 = 400𝑊 + 564𝑊 + 460𝑊 = 𝟏𝟒𝟐𝟒 𝑾

𝑃𝐹𝐶 = 𝑃𝑣𝑒𝑛𝐹𝐶 + 𝑃𝑓𝑖𝑘𝐹𝐶 = 414𝑊 + 150𝑊 = 564 𝑊

𝑃𝑜𝑝 = 𝑃𝑝𝑟𝑡č + 𝑃𝑐𝑝 = 400𝑊 + 60𝑊 = 460 𝑊

Gdje je:

𝑃𝑣𝑒𝑛𝐹𝐶 - el. potrošnja ventilatora u gorivnom svežnju

𝑃𝑓𝑖𝑘𝐹𝐶 - fiksna el. potrošnja gorivnog svežnja

𝑃𝑜𝑝 - ostale opreme

𝑃𝑐𝑝 - cirkulacijska pumpa

𝑃𝑝𝑟𝑡č - el. potrošnja pretvarača

𝚫𝐓 = 𝐓𝟏 − 𝐓𝟐 = 30ºC − 20 ºC = 10ºC

𝑷𝒕 𝒊𝒛 = 𝚽 = 1000 kgm3 · 4.186

JkgK

· 10 K ·4

60𝑚3

𝑠= 𝟐𝟕𝟗𝟎.𝟔

𝐉𝐬

= 𝟐𝟕𝟗𝟎.𝟔 𝐖

𝑷𝒆𝒍.𝒊𝒛 − 𝑷𝒗𝒑 = 𝟏𝟗𝟖𝟎 𝑾− 𝟏𝟒𝟐𝟒 𝑾 = 𝟓𝟓𝟔 𝑾

η𝐬𝐮𝐬 = (𝑃𝑒𝑙.𝑖𝑧 − 𝑃𝑣𝑝) + 𝑃𝑡 𝑖𝑧

𝑃𝑢𝑙=

556 W + 2790.6 W8548.2 W

= 𝟎.𝟑𝟗𝟏𝟓 = 𝟑𝟗.𝟏𝟓 %

Takle, korisnost cijelog sustava ispada 39% što je daleko od maksimalne

teoretske učinkovitosti za takvu vrstu sustava od oko 90%.

Kada bi gledali samo električnu korisnost. Korisnost ispada samo 6.5% što

prepisujemo činjenici da smo uzeli nisku točku rada gorivnog svežnja. Sa

povećanjem snage gorivnog svežnja korisnost raste jer vlastita potrošnja sustava

ostaje na približno istoj vrijednosti.

44

6. ZAKLJUČAK

Gorivni članci su tehnologija budućnosti. Primjena vodika kao energetskog

nositelja biti će nezaobilazna u elektroenergetici za stacionarna postrojenja, a uz

kogeneraciju najefikasniji je i najčišći način pretvorbe drugih energenata u

električnu energiju. Od svih vrsta gorivih članaka gorivi članci s polimernom

membranom izgleda da imaju najveći tržišni potencijal zbog mogućnosti njihove

primjene kako u stacionarnim postrojenjima tako i u vozilima. Od daljnjih

istraživanja i razvoja očekuje se napredak tehnologije skladištenja vodika, te

povećanje korisnosti i životnog vijeka gorivih članaka.

Projekt u Institutu je zamišljen kao demonstracijski projekt. Svrha takvog demo

postrojenja je stjecanje iskustava u primjeni gorivih članaka, te upoznavanje s

njihovim prednostima i manama. U nastavku aktivnosti je potrebno u danim

okvirima i mogućnostima postići optimalna tehnička rješenja te iznaći procedure i

postupke koji će olakšati buduću izgradnju sličnih postrojenja.

Konačno projekt treba omogućiti ispitivanje opreme i podsustava, te utvrđivanje

energetske efikasnosti sustava.

Iako je dakle korisnost gorivog članka jako visoka (83% ili 94.5% na osnovi donje

ogrjevne moći) u odnosu na druge načine pretvorbe energije. Korisnost cijelog

sustava je puno manja zbog čitavog niza mogućih utjecaja. Korisnost takvog

sustava može se smanjiti na svega 20 - 30 %.

45

7. LITERATURA

1. International Energy Agency: Key World Energy Statistics, 2005

2. F. Barbir: PEM Fuel Cells – Theory and Practice, Elsevier, 2005 3. Car,S.; Firak,M.; Đonlagić,B.: Primjena vodika u elektroenergetici, 15. Forum –

Dan energije u Hrvatskoj, Zagreb, 2006.

4. Boris Chen:Hydrogen–a world of energy / TÜV Süddeutschland Holding AG,

www.hydrogenperspectives.com

5. Stupanj korisnosti za neke pretvorbe energije, preuzeto 4.9.2009. s

http://www.azoo.hr/admin/fckeditor/File/Energija%20nove%20mogucnosti.pdf