Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA
description
Transcript of Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA
![Page 1: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/1.jpg)
1
Pogonski i radni strojevi12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA
![Page 2: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/2.jpg)
2
UVOD
![Page 3: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Christian Friedrich Schönbein pronalazač gorivnih članaka
1838.
Sir William Grove izradio je gorivne članke 1839.
![Page 4: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Grove-ovi gorivni članci iz 1839.
![Page 5: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/5.jpg)
5
General Motors je 1966. godine izradio vozilo na pogon alkalnim gorivnim člancima i krio-spremnicima za ukapljeni vodik i kisik
![Page 6: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/6.jpg)
6
1959. je američki fizičar Francis T. Bacon izradio prvi sustav gorivnih članaka za pouzdanu kontroliranu proizvodnju električne energije sa snagom od 6 kW.
1963. Je izrađen sustav PEM gorivnih članaka sa snagom od 1 kW za električno napajanje kapsule u svemirskom programu Gemini 5 za NASA-u.
1965. Siemens je izradio sustav gorivnih članaka za pogon čamca “eta”.
1966. General Motors je izradio sustav alkalnih gorivnih članaka za pogon vozila “Electrovan”. Ukapljeni kisik i vodik čuvali su se zasebno u krio-spremnicima na vozilu.
1989. Siemens je izradio sustav gorivnih članaka sa snagom 100 kW za potrebe električnog pogona njemačke podmornice U1.
![Page 7: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/7.jpg)
7
PRINCIP RADA I IZVEDBE
![Page 8: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Katoda - Anoda +
Dovod kisika
Dovod vodika
Odvod vode
Elektrolit
Membrana Membrana
Princip djelovanja alkalnog gorivnog članka (AFC)
![Page 9: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Vodik kao gorivo dovodimo uz katodu, a kisik dovodimo uz anodu. Na površini membrane prema elektrolitu, vodik reagira s negativnim ionima OH-grupe u elektrolitu, pri čemu se oduzimaju dva elektrona. Oni se kroz električno trošilo dovode na anodu i na njoj pospješuju oksidaciju goriva.
Katoda: H2 (plin) + 2 OH- (voda) → 2 H2O (tekućina) + 2 e-
Oslobođeni elektroni vode se kroz električni vodič na anodu i na njoj potpomažu reakciju redukcije. Na anodi na koju dovodimo kisik, reagira voda s kisikom uz dodavanje dva elektrona, čime se stvaraju ioni hidroksida OH-:
Anoda: H2O (tekućina) + ½ O2 (plin) + 2 e- → 2 OH- (voda)
Ioni OH- zatvaraju reakcijski krug pri čemu se oni difuzijom premještaju unutar elektrolita od anode prema katodi gdje će poslužiti za oksidaciju vodika. Jednadžba za ukupnu kemijsku reakciju pri čemu po svakoj molekuli H2 teče struja od 2 e- je:
H2 (plin) + ½ O (plin) → H2O (tekućina)
Elektrode (membrane) pri AFC mogu biti iz metala, teflona ili grafita i izvedene su kao porozna masa. Kroz pore se difuzijom prenose plinoviti reaktanti prema elektrolitu i na taj način stvaraju veliku površinu na kojoj se odvijaju reakcije. Kako bi se reakcije ubrzale, kod niskotemperaturnih gorivnih članaka koristi se nanošenje katalizatora, kao što su platina ili paladij. Kod opisanog alkalnog gorivnog članka (AFC) može se kao katalizator koristiti i nikal.
![Page 10: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Električni rad se može izračunati primjenom Faraday-eve konstante F = 96485 As/mol. On je proporcionalan broju naboja z, tj. broju molova izmijenjenih elektrona i energetskom potencijalu E samog gorivnog članka. Predznak je po definiciji negativan:
Gdje je ΔG0 Gibbsova slobodna energija. Iz toga se može dobiti napon gorivnog članka E0:
Za gorivni članak s kisikom i vodikom dobivamo uz broj naboja z = 2 napon od:
pri čemu iz gorivnog članka odvodimo dobivenu vodu kao tekućinu (ne kao paru).
0GFEzWel
Fz
GE
00
V23.1As/mol964852
J/mol103.237 300
Fz
GE
![Page 11: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Ako bi umjesto Gibbsove slobodne energije koristili promjenu entalpije zbog reakcije ΔH dobili bi napon ogrjevne moći ili termoneutralni napon:
gdje je ΔH0 promjena entalpije pri reakciji jednoga mola goriva. Pored električnog rada i napona gorivnog članka, interesira nas i stupanj djelovanja. Termodinamički stupanj djelovanja za elektrokemijsku pretvorbu je:
Gorivni članci mogu koristiti različite vrste goriva. Time dobivamo i različite napone i stunjeve djelovanja gorivnih članaka. U sljedećoj tablici su prikazani podaci za različita goriva.
Fz
HEH
00
H
ST
H
Gth
1
![Page 12: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Nap
on
čla
nka
Struja
Promjena entropijeNapon ogrjevne moći
Standardni napon
Nernstov napon
Napon gorivnog članka Ez
Napon zbog otpora trošila
Područje aktivacijskog napona
Područje difuzijskog napona
Karakteristika gorivnog članka
![Page 13: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Bipolarna ploča Brtva
Reaktant
Krajnja ploča
Elektrolit
Sloj za difuziju plina
Membrana (elektroda) s katalizatorom
Shematski prikaz izvedbe sustava PEM gorivnih članaka
![Page 14: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Vrste gorivnih članaka
![Page 15: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/15.jpg)
15
AFC gorivni članci su poboljšani iza 1930. godine kada se s kiselog elektrolita prešlo na lužnati elektrolit na bazi kalijeve lužine KOH. Kao elektrode koristile su se porozne elektrode propusne za plin. Prva velika primjena takvih gorivnih članaka bila je u američkom svemirskom programu gdje je AFC proizvodili električnu energiju i pitku vodu za posadu. Veliki nedostatak je bila potreba za ekstremno čistim kisikom i vodikom. Moguće su izvedbe sa snagama od 10 do 100 kW.
MCFC gorivni članci počeli su se koristiti kada su 1950-tih nizozemski istraživači Broers i Ketelaar primijenili rastaljene karbonate litija, natrija i kalija kao elektrolite. Pri radnoj temperaturi od 650 oC proizvodi se velika količina otpadne topline koja se je u utilizacijskom kotlu koristila za proizvodnju pare i dodatnu vanjsku proizvodnju električne energije. Ovi su gorivni članci manje osjetljivi na kontaminaciju s CO. Oni imaju još uvijek velike mehaničke i kemijske probleme s konstrukcijskim rješenjima obzirom na visoku temperaturu rastaljenog elektrolita. Moguće su izvedbe za sada sa snagama do 100 MW.
![Page 16: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Katalizator
AnodaKatoda
Elektrolit
toplina
Gorivo Kisik
Shema AFC gorivnog članka
![Page 17: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Anoda (porozni NiO)Katoda (porozni Ni)
Taljevina karbonata i
toplina
Gorivo Kisik
Shema MCFC gorivnog članka
![Page 18: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/18.jpg)
18
PAFC gorivni članci su se pojavili 1960-tih i postali su prvi komercijalno prihvatljivi gorivni članci. Radna temperatura od 200 oC omogućuje pogon uređaja za reformaciju (proizvodnju vodika). PAFC su tolerantni na CO, ali se lako zagade sa sumporom. Izrađene su mobilne i stacionarne jedinice sa snagom od 250 kW. Problemi ovih gorivnih članaka vezani su na unutarnje kemijske reakcije i koroziju. Moguće su izvedbe ovih gorivnih članaka sa snagama do 10 MW
PEMFC su se pojavili počekom 1960-tih i razvili su ih na početku Grubb i Niedrach. Koristi se membrana iz polimera koja se mora ovlaživati vodom koja služi kao stabilni i pouzdan elektrolit. Posebna prednost tih gorivnih članaka je radna temperatura niža od 100 oC i visoka snaga obzirom na dimenzije i masu. Ovi gorivni članci umjesto čistog vodika mogu koristiti i tekući metanol. PEMFC su jako osjetljive na kontaminaciju s CO. Moguće su izvedbe gorivnih članaka sa snagama do 500 kW.
![Page 19: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Katalizator Pt ili P
AnodaKatodaKoncentrirana
toplina
Gorivo Kisik
Shema PAFC gorivnog članka
![Page 20: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Katalizator Pt
AnodaKatoda
Membrana za razmjenu protona
toplina
GorivoKisik
Shema PEMFC gorivnog članka
![Page 21: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/21.jpg)
21
SOFC gorivni članci su se pojavili 1930-tih kada su istraživači u Rusiji i Švicarskoj eksperimentirali s krutim keramičkim elektrolitima na temperaturi oko 1000 oC. Na tako visokoj temperaturi kemijske reakcije se odvijaju jako brzo, tako da nije potreban skupi katalizator. Visoka temperatura omogućuje da se vodik dobije unutar gorivnog članka iz različitih ugljikovodika. Ovi gorivni članci s druge strane izloženi su velikim fizikalnim i kemijskim problemima te stoga nije posve sigurna njihova veća primjena u budućnosti.Moguće su izvedbe ovih gorivnih članaka sa snagama do 100 MW.
![Page 22: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Katoda (cermet) Anoda (LSM)Cirkonijev dioksid
toplina
Gorivo Kisik
Shema SOFC gorivnog članka
![Page 23: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/23.jpg)
23
PRIMJERI PRIMJENE
![Page 24: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Laptop s PEMFC gorivnim člancima do 50 W, 24 V
![Page 25: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Agregat sa sustavom PEMFC gorivnih članaka snage 2 kW i primjeri primjene
![Page 26: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Primjer modula sa sustavom MCFC gorivnih članaka elekrične snage 245 kW i toplinske snage 180 kW
![Page 27: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Mala elektrana snage 4 x 250 kW s MCFC gorivnim člancima. Otpadna toplina koristi se kao tehnološka toplina za vrenje piva
![Page 28: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Podmornica s ugrađenim PEMFC gorivnim člancima
![Page 29: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Primjeri osobnih vozila na pogon PEMFC gorivnim člancima
![Page 30: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Primjeri gradskih autobusa na pogon PEMFC gorivnim člancima
![Page 31: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Gorivni članci PAFC se do sada najviše koriste. Oni se sastavljaju u module snage 250 kW za ustaljeni rad. Investicijski trošak je približno 3800 Eur/kWel.
Gorivni članci PEMFC su ugrađeni u pokazne eksperimente za mobilne i stacionarne namjene. Investicijski trošak se kreće oko 10000 Eur/kWel. Više proizvođača automobila istraživalo je razvoj gorivnih članaka s PEM Zajedno s elektromotorom, gorivni članci pružaju pogon budućnosti za vozila bez emisije štetnih plinova i tvari u okoliš. Postoji mogućnost da se umjesto vodika koriste prirodni plin ili metanol uz proces reformiranja iz kojega se dobiva vodik za rad gorivnog članka.
Gorivni članci MCFC i SOFC su još u procesu istraživanja. Kod primjene SOFC postoji mogućnost da se iza njih postavi utilizacijski kotao za proizvodnju vodene pare i pogon turboagregata, čime se može povećati ukupni stupanj djelovanja sustava s gorivnim člancima.
Gorivni članci nisu pogodni za rad s naglim promjenama opterećenja. Primjenom akumulatorskih baterija i korištenja regeneracije energije pri kočenju vozila, može se značajno smanjiti dinamika promjene opterećenja gorivnih članaka i time smanjiti ukupnu potrošnju goriva.
![Page 32: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Sustav gorivnih članakaSpremnici goriva
(vodika)
Vozilo Mercedes Benz klasa C na pogon gorivnim člancima, spremnici vodika pod tlakom 700 bar i litij-ionske akumulatorske baterije
![Page 33: Pogonski i radni strojevi 12. SUSTAVI GORIVNIH ČLANAKA](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062305/56814737550346895db4786a/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Zahvaljujemo na Vašoj pozornosti