PRIDOBIVANJE ELEKTRIČNE ENERGIJE Z GORIVNO CELICO

Podobni dokumenti
Primerjava izkoristkov reverzibilne gorivne celice in baterije za večkratno polnjenje

Vpliv koncentracije etanola na delovanje gorivne celice

DELOVANJE KATALIZATORJEV Cilji eksperimenta: Opazovanje delovanja encima katalaze, ki pospešuje razkroj vodikovega peroksida, primerjava njenega delov

Gorivna celica

PRILOGA II Obrazec II-A Vloga za pridobitev statusa kvalificiranega proizvajalca elektri ne energije iz obnovljivih virov energije 1.0 Splošni podatki

Evidenca_prejetih_vlog

PowerPointova predstavitev

Microsoft Word - GorivnaCelica_h-tec10.doc

LABORATORIJSKE VAJE IZ FIZIKE

Poročilo projekta : Učinkovita raba energije Primerjava klasične sončne elektrarne z sončno elektrarno ki sledi soncu. Cilj projekta: Cilj našega proj

Zavod sv. Stanislava Škofijska klasična gimnazija VPLIV KISLEGA DEŽJA NA RASTLINE poskus pri predmetu biologija

Microsoft PowerPoint - OVT_4_IzolacijskiMat_v1.pptx

1

Microsoft Word - ge-v01-osnove

Diapozitiv 1

Microsoft Word - WP5 D15b infopackage supplement public buildings Slovenia.doc

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation

Krmiljenje elektromotorj ev

Vsebina Energija pri gorenju notranja energija, entalpija, termokemijski račun, specifična toplota zgorevanja specifična požarna obremenitev

SOLARNI SISTEMI ZA OGREVANJE IN PRIPRAVO TOPLE VODE PRI NEH IN PH Pri nizkoenergijskih hišah (NEH) in pasivnih hišah (PH) so sistemi za ogrevanje in p

PRIROČNIK O VARČNI PORABI GORIVA IN EMISIJAH CO2

Toplotne črpalke

Moj poskus formativnega spremljanja

Dinamika požara v prostoru 21. predavanje Vsebina gorenje v prostoru in na prostem dinamika gorenja v prostoru faze, splošno kvantitativno T

7. VAJA A. ENAČBA ZBIRALNE LEČE

RAČUNSKO PREVERJANJE DOSEGANJA MERIL snes VSEBINA 1. Faktorji pretvorbe in energijska performančnost (EP P ) 2. Primer poslovne stavbe s plinskim kotl

Poskusi s kondenzatorji

Diapositiva 1

Jupiter Seminarska naloga Šola: O.Š.Antona Martina Slomška Vrhnika Predmet: Fizika Copyright by: Doman Blagojević

UPORABA VODIKOVIH TEHNOLOGIJ V CESTNEM PROMETU V SLOVENIJI magistrsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Lektorica: Matej Jamnik magistrski štud

OGREVANJE VAŠEGA DOMA Z OBNOVLJIVIMI VIRI ENERGIJE

Družba Butan plin Družba Butan plin na slovenskem trgu nastopa kot eden vodilnih ponudnikov energije, strateško pa smo povezani tudi z največjim distr

Diapozitiv 1

PowerPointova predstavitev

N

Energijski viri prihodnosti

OPERATIVNI PROGRAM RAVNANJA S KOMUNALNIMI ODPADKI s poudarkom na doseganju okoljskih ciljev iz Direktive 2008/98/ES, Direktive 94/62/ES in Direktive 1

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo Faktor pretvorbe primarne energije Magistrsko delo Magistrskega študijskega programa II. stopnje STROJNI

Microsoft Word - SOLARGE_goodpractice_si_innpribostjanu_SI.doc

Diapozitiv 1

Priročnik o varčnosti porabe goriva, emisijah CO in emisijah onesnaževal 2 zunanjega zraka s podatki za vse modele novih osebnih avtomobilov

ALKOHOLI

ELEKTRIČNI NIHAJNI KROG TEORIJA Električni nihajni krog je električno vezje, ki služi za generacijo visokofrekvenče izmenične napetosti. V osnovi je "

Microsoft Word doc

Potenciali lesne biomase v Sloveniji ter pomen kakovosti lesnih goriv

KRMILNA OMARICA KO-0

Živimo v razburljivem obdobju človeške zgodovine, v času eksplozije svetovnega prebivalstva, tehnoloških novosti, informacijske revolucije in izčrpava

Diapozitiv 1

EKS - Priloga 1

Petrol

VETRNO KOLO

PREGLED FOTOVOLTAIČNEGA TRGA V SLOVENIJI preliminarno poročilo za leto 2014 Podatki o fotovoltaičnem trgu v Sloveniji so zbrani iz javno dostopnih pod

PowerPoint Presentation

Uredba o pravilih za pripravo napovedi položaja proizvodnih naprav na obnovljive vire energije in s soproizvodnjo toplote in električne energije z vis

GIMNAZIJA, ELEKTRO IN POMORSKA ŠOLA PIRAN Bolniška ulica 11, 6330 Piran Program: GIMNAZIJA OBVESTILO STARŠEM IN NAROČILNICA ZA IZPOSOJO UČBENIKOV ZA 1

Slide 1

Naravna izbira DAIKIN ALTHERMA NIZKO TEMPERATURNA TOPLOTNA ČRPALKA

Diapozitiv 1

Osnovna šola Antona Globočnika Postojna Cesta na Kremenco Postojna IZBOR UČBENIKOV, KI JIH ZA ŠOLSKO LETO 2019/2020 PREDLAGA STROKOVNI AKTIV 0,

Gospodarjenje z energijo

Priročnik o varčnosti porabe goriva, emisijah CO2 in emisijah onesnaževal zunanjega zraka osebnih vozil smart

18.SMK Tomaž Berločnik - za objavo

Uporaba OVE v stavbah

ELEKTROKEMIJA 1. Izračunajte potencial inertne elektrode v raztopine, ki jo dobimo, če zmešamo 5,0 ml 0,1 M Ce 4+ in 5,0 ml 0,3 M raztopine Fe 2+! (E

1. Prehajanje snovi skozi celično membrano biološke membrane so izbirno prepustne (uravnavajo svojo kemijsko sestavo) membrana je o meja med celico oz

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJ Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika PO

Osnove statistike v fizični geografiji 2

Male vetrne elektrarne

CE51 TOGETHER_D.C.4.8_Planet defender_prevod_final_SLO

EVROPSKA KOMISIJA Bruselj, XXX [ ](2013) XXX draft DIREKTIVA KOMISIJE.../ /EU z dne XXX o spremembi prilog I, II in III k Direktivi 2000/25/ES Evropsk

PowerPoint Presentation

Microsoft Word - SOLARGE_building_assessment_report_sezana-elderly-house_slo.doc

Direktiva Komisije 2014/44/EU z dne 18. marca 2014 o spremembi prilog I, II in III k Direktivi Evropskega parlamenta in Sveta 2003/37/ES o homologacij

Microsoft PowerPoint - ep-vaja-02-web.pptx

Delovni zvezek / matematika za 8 izrazi POENOSTAVLJANJE IZRAZOV 3. skupina 2. Izra~unaj, koliko stane izdelava `i~nega modela, ~e meri rob

Atomska spektroskopija PROSTI ATOMI VZBUJENI ATOMI Marjan Veber Metode atomske/elementne masne/ spektrometrije Elektronska konfiguracija Mg

Microsoft Word - M docx

Toplotne črpalke

Microsoft Word - 10-Selekcijski intervju _4.del_.docx

OTOČNI SISTEMI za energetsko neodvisnost. Vikend na morju ali v gorah? Nimate dostopa do elektrodistribucijskega omrežja?

DNEVNIK

150814_DE_InternationalBrosch_SI.indd

Microsoft Word - CelotniPraktikum_2011_verZaTisk.doc

Microsoft Word doc

Model tržne optimizacije obratovanja SPTE

Microsoft Word - IRI UL-Energetsko knjigovodstvo UL-2018_

Microsoft Word - Astronomija-Projekt19fin

Microsoft Word doc

Microsoft PowerPoint - 05_Spec_pozarni_nacrt_fotovoltaika

PowerPoint-Präsentation

FOTOVOLTAIKA

Šolski center Celje Srednja šola za kemijo, elektrotehniko in računalništvo ELEKTRONSKA REDOVALNICA RAZISKOVALNA NALOGA AVTORJI Aleš Budna Jure Ulaga

Generatorji toplote

Ali se podnebje v Celju spreminja?

PowerPoint Presentation

SLOVENIJA

SLO NAVODILA ZA UPORABO IN MONTAŽO Kat. št.: NAVODILA ZA UPORABO Univerzalni zračni kompresor Bruder Mannesmann 097 T Kataloška

Vsebina in pogoji za sodelovanje v akciji»toplotne črpalke 2013«1. UVODNA DOLOČILA Vsebina in pogoji za sodelovanje v akciji»toplotne črpalke 2013«(v

Transkripcija:

Mestna občina Celje, Mladi za Celje Pridobivanje električne energije z gorivno celico Raziskovalna naloga Avtorica: Eva Šorn, 8.b Mentor: Boštjan Štih, prof. bio. in kem. Osnovna šola Hudinja Celje, marec 2014

Mestna občina Celje, Mladi za Celje Pridobivanje električne energije z gorivno celico Raziskovalna naloga Avtorica: Eva Šorn, 8.b Mentor: Boštjan Štih, prof. bio. in kem. Osnovna šola Hudinja Celje, marec 2014 1

Kazalo vsebine Kazalo slikovnega gradiva... 3 Kazalo grafikonov... 3 Kazalo tabel... 3 Povzetek... 4 1 Uvod... 5 1.1 Teoretske osnove... 5 1.1.1 Zakaj vodik?... 5 1.1.2 Elektroliza... 6 1.1.3 Kaj je gorivna celica?... 6 1.1.4 Gorivne celice z uporabo obnovljivih virov energije... 8 1.2 Opis raziskovalnega problema... 9 1.3 Hipoteze... 9 1.4 Raziskovalne metode... 10 1.4.1 Delo z viri... 10 1.4.2 Merjenje porabe električne energije za elektrolizo... 10 1.4.3 Merjenje količine električne energije, ki jo proizvede gorivna celica... 11 1.4.5 Obdelava podatkov... 12 1.4.6 Priprava pisnega poročila... 12 2 Osrednji del... 13 2.1 Predstavitev raziskovalnih rezultatov... 13 2.1.1 Ugotavljanje razmerja med sprejeto in oddano energijo pri dani gorivni celici in različnih porabnikih... 13 2.1.2 Ugotavljanje razmerja med sprejeto in oddano energijo pri dani gorivni celici ob različnih temperaturah... 14 2.2 Diskusija... 15 3 Zaključek... 17 4 Viri... 18 2

Kazalo slikovnega gradiva Slika 1: Shema elektrolize... 6 Slika 2: Preprosta shema gorivne celice. (vir: Gorivne celice z uporabo obnovljivih virov energije, 2004)... 7 Slika 3: Shema delovanja gorivne celice (prirejeno po Bioenergie-Entdeckung Set, Benutzerhandbuch 2008)... 7 Slika 4: Gorivna celica, uporabljena pri poskusih - na levi kisikova stran, na desni vodikova stran... 8 Slika 5: Avtobus na gorivne celice v Londonu... 8 Slika 6: Shema vezave električnega kroga pri sintezi vodika... 10 Slika 7: Sestavljena naprava za elektrolizo vode... 10 Slika 8: Shema vezave električnega kroga pri merjenju električne energije, ki ko odda gorivna celica 11 Slika 9: Naprava za poganjanje elektromotorčka z energijo gorivne celice ter meritve... 11 Slika 10: Uporabljeni porabniki: motorček avtomobilčka, motorček ventilatorčka in žarnica... 12 Kazalo grafikonov Grafikon 1: Električni Izkoristek gorivne celice pri različnih porabnikih v %... 13 Grafikon 2: Električni izkoristek gorivne celice pri različnih temperaturah v %... 14 Kazalo tabel Tabela 1: Povprečne izmerjene vrednosti za napetost in tok ter izračunana električna energija pri sobnih pogojih in različnih porabnikih... 13 Tabela 2: Povprečne izmerjene vrednosti za napetost in tok ter izračunana električna energija pri različnih temperaturah in uporabi elektromotorčka avtomobilčka kot porabnika... 14 3

Povzetek V raziskovalni nalogi sem ugotavljala razmerje med vloženo in pridobljeno električno energijo (električni izkoristek) vodikove gorivne celice iz didaktičnega kompleta. Ugotovila sem, da se električni izkoristek vedno giblje okoli 37%, ne glede na to, kakšen porabnik napaja gorivna celica ali pri kateri temperaturi deluje. Pri delu sem uporabljala pisne vire, glavni del pa predstavlja eksperimentalno delo in merjenje ter računanje električne energije, ki se veže pri sintezi vodika oz. sprošča pri delovanju gorivne celice. 4

1 Uvod 1.1 Teoretske osnove 1.1.1 Zakaj vodik? Svetovna civilizacija uporablja gorivo, ki temelji na ogljiku, 100.000-krat hitreje kot je ta dan na razpolago ter s tem sproža veliko vprašanj o zalogah ter o njihovi zmožnosti pokrivanja hitro rastoče porabe energije. Nafta je odločilna za blagor vseh narodov, zato so nove tehnologije, ki zmanjšujejo odvisnost od uvožene nafte, strateškega pomena. Fosilna goriva vsebujejo ogljik in zgorevanje bencina v naših avtomobilih vodi do toksičnega onesnaževanja zraka in prispeva velike količine ogljikovega dioksida v našo atmosfero. Kopičenje ogljikovega dioksida je vzrok učinka tople grede in globalnega segrevanja. Več kot sto let so ljudje sežigali neznanske količine na ogljiku temelječih goriv, kar je povzročilo pregretje atmosfere. Globalno segrevanje sedaj občutimo skozi orkanske nevihte, širjenje puščav, taljenje ledenikov, spreminjanje stanj oceanov in naraščanje gladine morij. Naša družba torej potrebuje nov, obnovljivi vir energije in vodik je najboljša rešitev za najdaljše obdobje. Dejansko je vodik energijsko najbolj bogat element v vesolju ter prinaša največ energije na enoto teže. To gorivo brez ogljika je mogoče pridobivati bodisi z uporabo tradicionalnih ali obnovljivih virov energije, kot sta npr. sončna ali vetrna energija. Ko je enkrat ujet, ga je mogoče pretvoriti v številne, ponovno uporabljive vire energije. To pomeni, da je gorivo mogoče proizvajati lokalno, v neomejenih količinah. Ko se vodik porablja v gorivni celici, nastajata elektrika in voda. Vodo lahko ponovno uporabimo za pridobivanje vodika in kisika, pri čemer ciklus poteka kontinuirano in naravno, brez toksičnih emisij. (2008) 1 1 Avtomobil na gorivne celice. (2008). Prevzeto 13. 11. 2013 iz Conrad: http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/198062-an-01-sl-avto_na_gorivne_celice_fcjj11.pdf 5

1.1.2 Elektroliza Elektroliza vode je elektrokemijski postopek, pri katerem se voda razgradi na vodik in kisik s pomočjo električnega toka. Vir električnega toka je priključen na dve elektrodi, ki sta potopljeni v vodo. Razvijanje plinov lahko spremljamo kot nastajanje mehurčkov na obeh elektrodah. 2 Slika 1: Shema elektrolize 1.1.3 Kaj je gorivna celica? Gorivna celica je priprava, ki pretvarja vodik v ponovno uporabljivo električno energijo. Sestavljena je iz plasti materialov, kjer vodik in kisik medsebojno reagirata ter brez izgorevanja proizvajata elektriko in vodo. Resno zanimanje za gorivne celice se je pričelo šele sredi 60-tih let, ko so bile uporabljene kot vir energije za prvi človeški polet na luno. 3 Kemično električna reakcija znotraj celice je obrnjena elektroliza vode. Pri običajni elektrolizi s pomočjo električne energije na elektrodah pridobivamo kisik in vodik. Iz kisika in vodika pa lahko pridobimo vodo. Mogoča sta dva načina, hiter in počasen: hiter tako, da vsa zadeva eksplodira, počasen pa s katalizatorji. Seveda je zanimivejši slednji, s katerim pridobimo proste elektrone električni tok. Z drugimi besedami to pomeni, da je konstrukcijsko gorivna celica zelo podobna baterijam: dve elektrodi in med njima prevodna snov elektrolit. A vseeno z veliko razliko. Baterije za pridobivanje elektrike porabljajo kovino (nikelj, cink, svinec...), ki je v njih, gorivne celice pa vsaj potencialno veliko cenejša vodik in kisik. 2 Elektroliza vode. (2013). Prevzeto 2014. 2. 1 iz Wikipedija: http://hr.wikipedia.org/wiki/elektroliza_vode 3 Avtomobil na gorivne celice. (2008). Prevzeto 13. 11. 2013 iz Conrad: http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/198062-an-01-sl-avto_na_gorivne_celice_fcjj11.pdf 6

Slika 2: Preprosta shema gorivne celice. (vir: Gorivne celice z uporabo obnovljivih virov energije, 2004) Vsaka gorivna celica, ki jo poznamo danes, deluje na osnovni ravni po opisanem teoretičnem postopku. Na obeh elektrodah je katalizator, ki nadzoruje potek kemične reakcije. Na anodo dovajajo vodik (gorivo), kjer se ta razcepi na vodikove ione (protoni) in proste elektrone. Pri eni molekuli vodika (H 2 ) dobimo dva prosta elektrona. Elektroni»tečejo«prek električnega kroga na katodo (elektrika), na kateri se vodikovi ioni, elektroni in kisik (oksidant) združijo v vodo, pri čemer se sprošča tudi toplota. Hitro, učinkovito in predvsem čisto. Katere kemijske reakcije dejansko potekajo znotraj celice, koliko prostih elektronov se sprošča in kaj prehaja prek elektrolita, pa je odvisno od tipa celice. Te pa imajo svoje prednosti in slabosti ene same univerzalne celice pač ni. (Kodelja, 2008) 4 Slika 3: Shema delovanja gorivne celice (prirejeno po Bioenergie-Entdeckung Set, Benutzerhandbuch 2008) 4 Kodelja, M. (31. 8. 2008). Gorivne celice. Prevzeto 28. 2. 2013 iz Moj mikro: http://www.mojmikro.si/geekfest/pogled_naprej/gorivne_celice 7

Slika 4: Gorivna celica, uporabljena pri poskusih - na levi kisikova stran, na desni vodikova stran 1.1.4 Gorivne celice z uporabo obnovljivih virov energije Čeprav so gorivne celice znane že od leta 1839, je bilo potrebnih 120 let, da je NASA demonstrirala nekaj potencialnih možnosti za preskrbo z električno energijo med poletom v vesolje. Zaradi tega uspeha je v šestdesetih letih industrija začela spoznavati tržen potencial gorivnih celic, vendar so bili soočeni s tehnološkimi ovirami in visokimi investicijskimi stroški; z gospodarskega vidika gorivne celice v proizvodnji električne energije niso bile konkurenčne takratnim energetskim tehnologijam. Zato so od takrat aktivnosti na tem področju zelo intenzivne in kot rezultat tega sedaj stotine podjetij po svetu deluje na izdelavi takih gorivnih celic, da bodo konkurenčne ostalim tehnologijam. (Skupina avtorjev, 2008) 5 Slika 5: Avtobus na gorivne celice v Londonu 5 Skupina avtorjev. (2008). Bioenergie-Entdeckung Set, Benutzerhandbuch. Horizon. 8

1.2 Opis raziskovalnega problema Zastavila so se mi naslednja vprašanja: - Kakšen je električni izkoristek razmerje med električno energijo, potrebno za sintezo vodika in električno energijo, pridobljeno iz nastalega vodika? - Ali je ta električni izkoristek odvisen od vrste porabnika? - Ali je ta električni izkoristek odvisen od temperature, pri kateri potekata procesa? 1.3 Hipoteze Postavila sem naslednje hipoteze: - Električni izkoristek razmerje med električno energijo, potrebno za sintezo vodika in električno energijo, pridobljeno iz nastalega vodika, je pri dani gorivni celici med 30 in 50%. - Ta električni izkoristek gorivne celice ni odvisen od vrste porabnika. - Ta električni izkoristek gorivne celice je odvisen od temperature, pri kateri poteka ta procesa. 9

1.4 Raziskovalne metode 1.4.1 Delo z viri Pregledala sem nekaj enciklopedij, učbenik za kemijo, eno raziskovalno nalogo s podobno tematiko, nekaj spletnih virov, gradivo, ki je bilo priloženo modelu avtomobilčka na gorivno celico ter priloženo zgoščenko. 1.4.2 Merjenje porabe električne energije za elektrolizo Meritve sem izvajala tako, da sem v električni krog vključila malonapetostni izvir vir električnega toka za elektrolizo, reverzibilno gorivno celico, ampermeter in voltmeter. V tem primeru je bila gorivna celica porabnik, saj je v njej potekala elektroliza vode - sinteza vodika in kisika. Vodo sem elektrolizirala 90 sekund pri napetosti 1,7 V in toku 0,7 A ter pri tem pridobila določeno količino vodika in kisika. Pri tem sem izračunala porabljeno električno energijo. Ko sem ugotavljala vpliv temperature na razmerje med prejeto in oddano električno energijo, sem izvedla poskus na enak način s tem, da sem pri enem primeru med poskusom gorivno celico, zavito v plastično vrečko, ohlajala v čaši z ledom pri približno 2 C, v drugem primeru pa segrela v čaši z vročo vodo pri približno 75 C. V gorivna celica A Slika 6: Shema vezave električnega kroga pri sintezi vodika Slika 7: Sestavljena naprava za elektrolizo vode 10

1.4.3 Merjenje količine električne energije, ki jo proizvede gorivna celica Sestavila sem nov električni krog. V njem je bila gorivna celica vir električnega toka, porabnik pa elektromotorček. Spet sem v električni krog vključila ampermeter in voltmeter. Merila sem napetost, tok in čas od pričetka delovanja motorčka do trenutka, ko se je rezervoar z vodikom popolnoma izpraznil in sta napetost in tok padla na nič. Iz teh podatkov sem nato izračunala količino električne energije, ki jo je proizvedla gorivna celica. Meritev sem ponovila trikrat in nato izračunala povprečno vrednost. Ko sem ugotavljala, ali vrsta porabnika vpliva na razmerje med prejeto in oddano električno energijo, sem celoten postopek izvedla na enak način s to razliko, da sem uporabila drugačen elektromotorček ter navadno 3V žarnico za baterijo. Pri ugotavljanju vpliva temperature na razmerje med prejeto in oddano energijo pa sem postopek izvedla na enak način s to razliko, da sem gorivno celico, zavito v plastično vrečko enkrat hladila v čaši z ledom, drugič pa segrevala v čaši z vročo vodo. Kot porabnik pa sem uporabila motorček od avtomobilčka. V A gorivna celica Slika 8: Shema vezave električnega kroga pri merjenju električne energije, ki ko odda gorivna celica Slika 9: Naprava za poganjanje elektromotorčka z energijo gorivne celice ter meritve 11

Slika 10: Uporabljeni porabniki: motorček avtomobilčka, motorček ventilatorčka in žarnica 1.4.5 Obdelava podatkov S pomočjo pridobljenih podatkov sem izračunala količino električne energije po enačbi: e U I t Električni izkoristek sem izračunala po enačbi: e (oddana) 100% e (sprejeta) 1.4.6 Priprava pisnega poročila Podatke, ki sem jih pridobila z meritvami, sem uredila s programom Excel 2010, s katerim sem narisala tudi vse grafikone. Končno poročilo je izdelano s programom ord 2010. Sheme električnih vezav sem izrisala s programom Publisher 2010. Fotografije so izdelane s fotoaparatom Canon EOS 600D in objektivom 18 55. 12

2 Osrednji del 2.1 Predstavitev raziskovalnih rezultatov 2.1.1 Ugotavljanje razmerja med sprejeto in oddano energijo pri dani gorivni celici in različnih porabnikih Proces čas (s) napetost (V) tok (A) energija (J) tvorba vodika 90 1,7 0,7 99,5 delovanje avtomobilčka 322 0,6 0,2 38,6 delovanje ventilatorčka 471 0,8 0,1 35,8 delovanje žarnice 540 0,7 0,1 37,0 povprečna energija 37,1 Tabela 1: Povprečne izmerjene vrednosti za napetost in tok ter izračunana električna energija pri sobnih pogojih in različnih porabnikih Iz tabele je razvidno, da je gorivna celica v povprečju sprostila 37,1 J električne energije in da je ta količina energije približno enaka, ne glede na vrsto porabnika, ki je priklopljen nanjo. 100,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% izkoristek 50,0% 40,0% 30,0% 38,8% 37,3% 36,0% 37,2% električni izkoristek pri določenem porabniku povprečen električni izkoristek 20,0% 10,0% 0,0% delovanje avtomobilčka delovanje ventilatorčka vrsta porabnika delovanje žarnice Grafikon 1: Električni Izkoristek gorivne celice pri različnih porabnikih v % Kot je razvidno iz grafikona, je izkoristek gorivne celice ne glede na vrsto porabnika, ki je priklopljen nanjo, okoli 37%. Razlike med posameznimi porabniki so zanemarljive. 13

2.1.2 Ugotavljanje razmerja med sprejeto in oddano energijo pri dani gorivni celici ob različnih temperaturah Proces čas (s) napetost (V) tok (A) energija (J) tvorba vodika 90 1,7 0,7 99,5 2 C 317 0,6 0,2 38,0 22 C 322 0,6 0,2 38,6 75 C 302 0,7 0,2 37,3 povprečna energija 38,0 Tabela 2: Povprečne izmerjene vrednosti za napetost in tok ter izračunana električna energija pri različnih temperaturah in uporabi elektromotorčka avtomobilčka kot porabnika Iz tabele je razvidno, da je gorivna celica v povprečju sprostila 38 J električne energije in da je ta količina energije približno enaka, ne glede na zunanjo temperaturo, pri kateri deluje. 100,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% izkoristek 50,0% električni izkoristek pri določeni temperaturi 40,0% 30,0% 38,2% 38,3% 38,8% 37,5% povprečen električni izkoristek 20,0% 10,0% 0,0% 2 C 22 C 75 C temperatura Grafikon 2: Električni izkoristek gorivne celice pri različnih temperaturah v % Kot je razvidno iz grafikona, je izkoristek gorivne celice ne glede na temperaturo, pri kateri deluje, okoli 38%. Razlike med posameznimi temperaturami so zanemarljive. 14

2.2 Diskusija Dandanes si življenja brez električne energije pravzaprav ne moremo predstavljati. Ob zadnji vremenski ujmi, ko smo bili kar nekaj dni skupaj brez električne energije, se je pokazalo, kako smo pravzaprav nemočni, ko ostanemo brez nje. Kljub temu, da sama električna energija velja za zelo čisto, pa ima njeno pridobivanje še vedno zelo velik negativen vpliv na okolje in življenje na Zemlji, saj je večino pridobimo z zgorevanjem fosilnih goriv, pa tudi njihove zaloge niso trajne. Zaradi tega že nekaj časa potekajo raziskave glede pridobivanja električne energije iz alternativnih virov. Gradimo vetrne in sončne elektrarne. Vedno bolj pa postajajo zanimive gorivne celice, ki so zaradi svoje majhnosti primerne za vgradnjo v različne naprave in vozila. V nalogi sem raziskovala delovanje gorivne celice, ki sem jo dobila kot del modela avtomobilčka na gorivno celico. Osnovni princip delovanja je tak, da s pomočjo električne energije najprej iz destilirane vode pridobimo vodik in kisik, nato pa v obratnem procesu ta celica ta dva plina porablja, pri tem pa proizvaja električno energijo, pri čemer spet nastaja voda. Zanimalo me je, kakšno je razmerje med vloženo in pridobljeno električno energijo. Postavila sem tri hipoteze. Prva hipoteza pravi, da je električni izkoristek razmerje med električno energijo, potrebno za sintezo vodika in električno energijo, pridobljeno iz nastalega vodika pri dani gorivni celici, med 30 in 50%. Hipotezo lahko potrdim, saj se je izkazalo, da je električni izkoristek pri gorivni celici, ki sem jo opazovala, okoli 37%. Dejanski električni izkoristek vodikove gorivne celice se giblje med 35 in 65%. (Belšak, 2003) 6 Če upoštevamo vse izgube (pri gorivnih celicah na zrak so to npr. razvlaževanje zraka, stiskanje na večji tlak ipd.), je povprečni izkoristek gorivnih celic v avtomobilih okrog 36%. (Ausec, 2011) 7 Druga hipoteza pravi, da električni izkoristek gorivne celice ni odvisen od vrste porabnika. Hipotezo lahko potrdim, saj je iz podatkov iz grafikona 1 razvidno, da se električni izkoristek pri treh različnih porabnikih sicer malenkostno razlikuje, a so te razlike nepomembne (±1,5% od povprečja). 6 Belšak, M. (2003). Gorivne celice. Seminarska naloga. str. 13 7 Ausec, J. (2011). Gorivne celice. Seminar, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko, Oddelek za fiziko. str. 9 15

Tretja hipoteza pravi, da je električni izkoristek gorivne celice odvisen od temperature. Pri tej hipotezi sem izhajala iz predpostavke, da pri delovanju gorivne celice nastaja tudi toplota in če to toploto odvajamo (celico hladimo), reakcijo v celici pospešimo in obratno. Hipoteza se je izkazala za napačno, saj je gorivna celica pri treh različnih temperaturah delovala skoraj z enakim električnim izkoristkom. Kljub temu pa je električni izkoristek gorivne celice odvisen od temperature, (Lampič, 2003) 8 vendar bi to razliko opazili, če bi spremljali delovanje gorivne celice v temperaturnem razponu med 0 in 1000 C. Iz vsega tega sklepam, da uporaba gorivne celice na vodik ni ekonomsko upravičena, če za sintezo vodika uporabljam električno energijo iz omrežja ali baterije, saj je porabim precej več, kot jo kasneje dobim iz gorivne celice. Vendar lahko za elektrolizo namesto baterije uporabim vetrno turbino ali solarni modul, ki mi omogočata brezplačno električno energijo. V tem primeru pa postane uporaba gorivne celice zelo smotrna, saj bi lahko na svetlobi ali v vetru pridobivala vodik in ga nekako shranjevala. V mraku ali brezvetrju pa bi potem iz tega vodika pridobivala električno energijo. A to je že ideja za kakšno novo raziskovalno nalogo. 8 Lampič, G. (11. 2003). Delovanje gorivnih celic in njihova uporaba v industriji. Seminar. str. 19 16

3 Zaključek Vodik sodi med najbolj razširjene elemente v naravi in ga uvrščamo med goriva prihodnosti. V primerjavi s fosilnimi gorivi so njegove prednosti očitne. V toplotno in električno energijo ga lahko pretvorimo na različne načine z visokim izkoristkom in z minimalnim vplivom na okolje. Eden teh načinov je gorivna celica, katere delovanje sem spoznavala v tej raziskovalni nalogi. Resda sem uporabljala zgolj model, ki pa je bil dovolj dober, da sem podrobneje spoznala proces elektrolize in povratne spremembe, pri kateri nastaja električna energija. Pri raziskovalni nalogi sem podrobneje spoznala tudi tehnike eksperimentalnega dela. Na začetku sem imela nekaj težav, saj so bili rezultati nelogični in nepovezani. Šele, ko sem postopoma odpravljala napake pri merjenju, so rezultati postali razumljivi. 17

4 Viri 1. Avtomobil na gorivne celice. (2008). Prevzeto 13. 11. 2013 iz Conrad: http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/198062-an-01-sl- Avto_na_gorivne_celice_FCJJ11.pdf 2. Elektroliza vode. (2013). Prevzeto 2014. 2. 1 iz Wikipedija: http://hr.wikipedia.org/wiki/elektroliza_vode 3. Ausec, J. (2011). Gorivne celice. Seminar, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko, Oddelek za fiziko. 4. Belšak, M. (2003). Gorivne celice. Seminarska naloga. 5. Glažar, A. S., Gabrič, A., Graunar, M., & Slatinek Žigon, M. (2003). Kemija danes 2. Ljubljana: DZS. 6. Kodelja, M. (2008). Gorivne celice. Prevzeto 28. 2. 2013 iz Moj mikro: http://www.mojmikro.si/geekfest/pogled_naprej/gorivne_celice 7. Lampič, G. (2003). Delovanje gorivnih celic in njihova uporaba v industriji. Seminar. 8. Skupina avtorjev. (2004). Gorivne celice z uporabo obnovljivih virov energije. Ljubljana: Fakulteta za strojništvo. 9. Skupina avtorjev. (2008). Bioenergie-Entdeckung Set, Benutzerhandbuch. Horizon. 10. Spiegel, C. (2009). Renewable Energy. Shanghai: Horizon Fuel Cell Technology. 18

Izjava Mentor (-ica), Boštjan Štih, v skladu z 2. in 17. členom Pravilnika raziskovalne dejavnosti»mladi za Celje«Mestne občine Celje, zagotavljam, da je v raziskovalni nalogi naslovom Pridobivanje električne energije z gorivno celico, katere avtor je Eva Šorn besedilo v tiskani in elektronski obliki istovetno, pri raziskovanju uporabljeno gradivo navedeno v seznamu uporabljene literature, da je za objavo fotografij v nalogi pridobljeno avtorjevo (-ičino) dovoljenje in je hranjeno v šolskem arhivu; da sme Osrednja knjižnica Celje objaviti raziskovalno nalogo v polnem besedilu na spletnih portalih z navedbo, da je nastala v okviru projekta Mladi za Celje, da je raziskovalno nalogo dovoljeno uporabiti za izobraževalne in raziskovalne namene s povzemanjem misli, idej, konceptov oziroma besedil iz naloge ob upoštevanju avtorstva in korektnem citiranju, da smo seznanjeni z razpisni pogoji projekta Mladi za Celje. Celje, 9. 3. 2014 Podpis mentorja(-ice) žig šole Podpis odgovorne osebe Pojasnilo V skladu z 2. in 17. členom Pravilnika raziskovalne dejavnosti»mladi za Celje«Mestne občine Celje je potrebno podpisano izjavo mentorja(-ice) in odgovorne osebe šole uvezati v izvod za knjižnico, dovoljenje za objavo avtorja(-ice) fotografskega gradiva, katerega ni avtor(-ica) raziskovalne naloge, pa hrani šola v svojem arhivu. 19