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 PEMFC PAFC AFC MCFC SOFC elektrolit polimerna membrana (perflorirana sulfonska kislina) H 3 PO 4 KOH taljeni karbonati keramika nosilec naboja H + H + OH - CO3 2- 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 H 2, metanol H 2 H 2 H 2, zemeljski, sintezni plin H 2, zemeljski, sintezni plin notranji reforming ne ne ne da da el. izkoristek (%) 40-50 40 50 45-55 50-60 gostota moči (mw/cm 2 ) 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 Tehnologija gorivnih celic 2
Najbolj uveljavljeni tipi gorivnih celic Tehnologija gorivnih celic 3
Pretvorba energije iz goriv v elektriko Krožni procesi: gorivo dimni plini para mehanska energija električna energija zgorevanje prenosniki toplote turbina generator Tehnologija gorivnih celic 4
Pretvorba energije iz goriv v elektriko Krožni procesi: gorivo dimni plini para mehanska energija električna energija zgorevanje prenosniki toplote turbina generator Neposredna pretvorba: gorivo? električna energija Gorivne celice Tehnologija gorivnih celic 5
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 Tehnologija gorivnih celic 6
Uporaba PEMFC 150-300 kw 100 kw 2 MW 10-30 kw 3-5 kw < 1 W 40 W 1 kw Tehnologija gorivnih celic 7
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 MEA ELEKTRODA MEMBRANA TESNILO BIPOLARNA PLOŠČA Tehnologija gorivnih celic 8
Komponente PEMFC Elektroda primerno porozna (dostop reaktantov ter odvod produktov) dobro električno in toplotno prevodna sestavljata jo difuzijska (makroporozna in včasih še vmesna mikroporozna plast) in katalitična plast Katalitična plast katalizator je platina ali zlitine platine nanešena na ogljikovo podporo velika aktivna površina katalizatorja Difuzijska plast: navadno narejena iz grafitnih vlaken Elektrolitna membrana prevodna za protone in neprevodna za elektrone vlažnost pogojuje prevodnost protonov ustrezna debelina (ohmske izgube, prehajanje vodika) navadno polimer na osnovi perfluorosulfonske kisline (Nafion ) Tehnologija gorivnih celic 9
Komponente PEMFC Membransko-elektrodni sklop Tehnologija gorivnih celic 10
Komponente PEMFC Bipolarne plošče dobro električno in toplotno prevodne neprepustne za pline kemijsko in temperaturno obstojne mehansko trdna čim tanjša (boljši prevod elektrike in toplote, prihranek pri prostornini in masi) ustrezno zasnovani kanali pretočnega polja IZSTOP navadno iz grafita, grafitnih kompozitov ali tanke nerjavne pločevine a) IZSTOP b) a) b) c) d) IZSTOP IZSTOP IZSTOP IZSTOP c) d) Tehnologija gorivnih celic 11
Komponente PEMFC Tesnila kemijsko obstojna na različne snovi (kisline, kisik, vodik, voda, para, metanol, ) temperaturno obstojna dovolj mehka, da se prilegajo naležnim materialom in ne potrebujejo pretiranih tlačnih sil za zagotavljanje tesnjenja ustrezna oblikovna zasnova (ploščata, O-ring,...) najbolj pogosti materiali so Teflon (PTFE), silikonska guma, Viton in Kalrez. Tehnologija gorivnih celic 12
Sklad PEMFC moč gorivne celice je omejena: proizveden el. tok je lahko velik (definira ga velikost površine elektrod) proizvedena napetost je nizka (U < E 0 = 1,23 V) večje moči se dosega z zaporedno električno vezavo GC v sklad gorivnih celic Tehnologija gorivnih celic 13
Sklad PEMFC Zahtevne naloge homogena porazdelitev reaktantov -> elektrike -> toplote priprava in ravnanje s tekočinami (vlaženje, odvajanje vode) senzorika in krmiljenje (pretoki, temperatura, delovna točka,...) izbira materialov (ustreznost, degradacija) pritisna sila (tesnjenje, kontaktne upornosti) hlajenje, izolacija... Tehnologija gorivnih celic 14
Sklad PEMFC Ballard Nexa (1,2 kw) Ballard FCvelocity 9SSL (4-20 kw) Tehnologija gorivnih celic 15