Vodíkové článkySkupina „pána Nováka“

I.B

2008/09

Obsah prezentácie

Základné informácie o palivových článkoch

História palivových článkov

Zloženie palivových článkov

Rozdelenie palivových článkov

Druhy palivových článkov

Spôsoby získavania vodíka

Výroba vodíka pomocou mikroorganizmov

Palivový článok

Fuel Cell (FC)

Zariadenie premieňajúce chemickú energiu priamo na elektrickú energiu

Opak elektrolyzéra

História palivových článkov

1839

William Robert Grove - koncepcia 1. palivového článku - pri pokuse o obrátenie procesu elektrolýzy vyrobil z vodíka a kyslíka jednosmerný prúd

1960

F. Thomas Bacon - 1. prevádzkyschopný palivový článok

Využívanie v kozmickom priemysle ako ľahšia náhrada za ťažké batérie

Použitý vo vesmírnych lodiach Skylab a Apollo

od 1970

Pokusy, ako ich využiť na pohon vozidiel - väčšinou neúspešné

1994

DaimlerChrysler - úspešné riešenie pohonu vozidla NECAR 1 palivovým článkom

2003

V Európe sa premáva 30 autobusov s palivovými článkami

Zloženie palivových článkov

Základné časti: Katóda Anóda Elektrolyt

Ostatné časti: Zásobníky a prívody paliva a oxidovadla rezervoár pre elektrolyt Vývody spotrebič (elektromotor)

Palivo: vodík, metán, metanol, kyselina mravčia a octová glukóza

Oxidovadlo: kyslík, peroxid vodíka, tiokyanát draselnýProdukty: teplo + látka (podľa typu článku)

Elektródy

• Katóda• Anóda

• Funkcie1. povrch na ionizáciu/deionizáciu2. vedenie elektrónov na/z rozhrania3. fyzická bariéra

• vlastnosti: vodivá, porézna, priepustná, katalytická• Materiály

• Kovové – Ni• Nekovové – C• Katalyzátor – Pt, Pd

Elektrolyt

El. vodič 2. triedy – náboj sa prenáša pohybom iónov

Úlohy dopravuje reaktanty na elektródu uzatvára el. obvod fyzická bariéra

Materiály pevné – membrány, oxid zirkoničitý kvapalné – KOH, kys. Fosforečná, tavenina uhličitanov

Musí byť hydratovaný vodou

Rozdelenie PČ

Podľa pracovnej teploty

Podľa použitého paliva/oxidantu

Podľa elektrolytu

Podľa použitia

Druhy palivových článkovA FC - Alkalický palivový článok

PEM FC - Palivový článok s protónovou membránou

DM FC

PA FC - Palivový článok s kyselinou fosforečnou

MC FC - Palivový článok s uhličitanovou taveninou

SO FC - Palivový článok s elektrolytom z tuhých oxidov

Typ článku Protónová membrána (PEMFC)

Alkalický (AFC) Kyselina fosforečná (PAFC)

Tavenina uhličitanov (MCFC)

S tuhým oxidom (SOFC)

Elektrolyt tuhý polymér 35% roztok hydroxidu draselného

koncentrovaná kyselina fosforečná

uhličitan lítny a draselný

keramika (tuhé oxidy ytria a zirkónu)

Nosič náboja H+ OH− H+ CO2− O2−

Pracovná teplota 60–90 °C80–120 °C

~200 °C ~650 °C700–1000 °C

Palivo čistý H2 čistý H2 čistý H2 (toleruje CO2, do 1% CO)

H2, CO, CH4, (vyžaduje CO2)

H2, CO, CH4, uhľovodíky (toleruje CO2)

Elektrická účinnosťVýkon

35–45 %5 – 250 kW

45–65 %<12 kW úzky

40 %200 kW

20 kW–20 MW>50 %

>50 %20kW–200MW

výhody Malá prevádzková teplota, rýchly nábeh, účinnosť

Vysoká účinnosť, nízka prevádzková teplota

Možnosť využiť odpadové teplo, vysoké výkony

Vysoká účinnosť, dosiahnutie vysokývh výkonov, cena, palivo

Vysoká účinnosť, dlhá životnosť, možnosť dosiahnutia vysokých výkonov

nevýhody Vysoká cena, problém získavania paliva

Dosahujú nízke výkony

Nutnosť dopĺňania elektrolytu

Doba nábehu Vysoká pracovná teplota, cena

spoločnosti Ballard (Kanada), Nuvera (Taliansko-USA) UTC (USA), H Power (USA)

Energy Partners (USA), UTC (USA), Zetec (GB), Astrid Energy (Kanada)

ONSI (USA-Japonsko), Fuji-Toshiba (USA-Japonsko)

FCE (USA), MTU (Nemecko), IHI (Japonsko), Ansaldo (Taliansko)

Siemens-Westinghouse (Nem./USA), Sulzer Hexis (Švajčiarsko), Mitsubishi (Japonsko)

PEM - Proton Exchange Membrane

Obsahuje špeciálnu PEM membránu ( fluorovaná kyselina sulfónová )

Pracovná teplota: 60-90 (veľmi nízka)

Palivo: H

Nosič náboja: H+

účinnosť: 60-65%

El. výkon: 5 – 250 kW

Anóda: H2(g) → 2H+(aq) + 2e− Katóda: ½O2(g) + 2H+(aq) + 2e− → H2O(l) Celkovo: H2(g) + ½O2(g) → H2O(l)

• výhody: - nízka pracovná teplota

- vysoká prúdová hustota

- minimálna ekol. záťaž (odpad je len voda)

- dosiahnutie plného výkonu za krátky čas

• nevýhody: - vysoká cena membrány

- citlivosť na nečistoty

- problémy s palivom

Využitie PEMFC

Spôsoby získavania vodíka

1. Štiepenie uhľovodíkov vodnou parou

2. Parciálna oxidácia uhľovodíkov

3. Konverzia vodného plynu

4. Vodík z reformovania benzínov

5. Koksárenský plyn - zdroj vodíku

6. Elektrolýza vody, kyselín, chloridu sodného

7. Rozklad vodní páry železom

8. Rozklad metanolu

9. Rozklad amoniaku

10. Rozklad vody

11. Moderné procesy pre výrobu vodíka

Výroba vodíka pomocou mikroorganizmov

Zelené riasy čeľade Chlamydomonas

Podmienky: anaeróbne prostredie ← tma

tím okolo mikrobiológa profesora Tasiosa Melisa z Kalifornskej univerzity v Berkeley

pri bežnom svetle riasy pohnoja a rozmnožia

Potom však už riasy nedostanú žiadnu síru

zastaví fotosyntéza zelených riasy

látková premena pre anaeróbne podmienky

aktivuje špeciálny enzým, ktorý sa odštiepi a uvoľní od vodných molekúl vodíka

Výrobcovia palivových článkov

USAamerická firma Ballard International Fuel Cells and Mechanical Technology Inc. - prvé vozidlo v roku 1989

Nemecko - Wolkswagen• Wolkswagen - zúčastnil sa Challenge Bidendum v Šanghaji • Tiguan HyMotion• Maximálny výkon 100 kW, maximálna rýchlosť 150 km/h pri zrýchlení

z 0 na 100 km/h za 14 sekúnd

Kórea – Kianová platforma SUV s pohonom na palivové článkytri elektromotory poháňané prúdom z palivového článku s výkonom 134 konských síltyp Kia Sorento (vľavo) akceleruje na 100 km/h iba za desať sekúnd Kia spolu so sesterským podnikom Hyundai - Kia Rio Hybrid (vpravo) s kombináciou benzínového a elektrického motora

Francúzsko - Citroen

Citroen Berlingo 500E Electrique

vhodný na jazdu po meste. Maximálna rýchlosť 100 km/h, zrýchlenie z nuly na 50 km/h za 8,4 sekundy

Ďalšie automobilky

Honda, Mazda, Nissan, Toyota, Volkswagen, Volvo, Chrysler, Ford

General Motors (obrázok)

Vypracovali:

Grafická úprava a záverečné spracovanie: Dominik Pastier

Vodíkové články: Matúš Matisko

História vodíkových článkov: Dominika Krišková

Spôsob prípravy vodíka a príprava pomocou mikroorganizmov: Andrea Knapiková

Výrobcovia: Monika Daniláková