laboratorij za termoenergetiko - university of...

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


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:


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


Uporaba PEMFC


< 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)


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®)


Komponente PEMFC

Membransko-elektrodni sklop


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


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®.


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


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

• ...


Sklad PEMFC


Ballard Nexa (1,2 kW)

Ballard FCvelocity®‐9SSL (4 - 20 kW)

laboratorij za termoenergetiko - university of...

Documents