10 Nove Tehnologije - Gorivni Clanci

8/19/2019 10 Nove Tehnologije - Gorivni Clanci

1/56

Nove energetske tehnologije

Internal Combustion Engine

Microturbine

Combustion Gas Turbine

Fuel Cell


2/56

goriva ćelija

goriva – ona koja može gorjeti

ćelija – (i)samica u zatvoru; (ii) redovnička soba u samostanu;(iii) stanica u biologiji

orivni članak

STRUČNA

TERMINOLOGIJA

gorivni – koji se odnosi na gorivo

članak – (i) galvanski ili kemijski članak kao elektrokemijski uređaj ukojem se energija kemijskog procesa pretvara u električnu

energiju; (ii) električni članak kao naprava za proizvodnjuistosmjerne struje pretvorbom kemijske nuklearne, toplinske ili

svjetlosne energije u električnu

V. Kramberger, EGE 1/2009, str. 2020


3/56

toplina

ŠŠto je gorivnito je gorivni ččlanak?lanak?Gorivni članak je elektrokemijski pretvarač energije.Pretvara kemijsku energiju goriva (H2) direktno u električnu energiju.

Gorivni članak je poput baterijeali s konstantnim dotokom goriva i oksidanta.

vodik

DC el. struja

_

+

BATTERYkisik

voda

FUEL CELLgorivni članak

©2002 by Frano Barbir.


4/56

Otkriće principa radagorivnih članaka

Kratka povijest gorivnihKratka povijest gorivnih ččlanakalanakaChristian Schönbein(1799-1868):Prof. fizike i kemije uBaselu, prvi je otkrio

efekt gorivnih članaka(Dec. 1838, Phil. Mag.)

William Robert Grove(1811 –1896):

1839

Velški odvjetnik –znanstvenik, prvi jedemonstrirao gorivnečlanke(Jan. 1839, Phil. Mag.)


5/56

Otkriće gorivnih članaka

Znanstvena radoznalost

Friedrich Wilhelm Ostwald(1853-1932, dobitnik Nobelove nagrade 1909):osnivač “fizikalne kemije”, dao je teoretsku

Kratka povijest gorivnihKratka povijest gorivnih ččlanakalanaka

1839


6/56

Friedrich Wilhelm Ostwald – vizionarske ideje:“Ne znam koliko od nas shvaća koliko je nesavršen

nabitniji za proizvodnju snage koji koristimo u našim

najnaprednijim inženjerskim dostignućima – parni stroj”

Pretvorba energije u strojevima sa sagorijevanjem

ograničena s Carnot stupnjem djelovanja

ne rihvatl ivo za ađen e atmosfere

vs.Pretvorba energije u gorivnim člancima

direktna pretvorba u električnu energiju

efikasno, tiho, bez ispušnih plinova

Tranzicija će biti tehnička revolucija

Predviđanja: praktična primjena će trebati vremena!

Izvor: Z. Elektrochemie, Vol. 1, p. 122-125, 1894.


7/56


Ponovno otkriće



1839 1939


8/56

Industrijska radoznalost


Ponovno otkriće



1960’s1839 1939


9/56



Ponovno otkriće



1960’s1839 1939


10/56

PEM gorivni članci korišteni u Gemini programu

Apollo program koristi alkalijske gorivne članke

Space Shuttle koristi alkalijske gorivne članke

Ponovni interes za PEM gorivne članke

Courtesy of UTC Fuel Cells

First PEM Fuel Cell

Grubb and Niedrach (GE) Gemini Space Program

1960s


11/56



Ponovno otkriće



1960’s1839 1939

Poduzetnička faza

1990’s


12/56



Ponovno otkriće



1960’s1839 1939

Poduzetnička faza

Rođenje nove industrije

2000’s


13/56

• Despite the recession and global economic

slowdown the fuel cell industry saw an increase in

shipments of 41% in 2009.

• As anticipated, stationary fuel cells experienced

the highest rate of growth, with an annual jump of

© Fuel Cell Today

some 134% to around 9,000 units.

• 2009 saw some 170 MWs shipped of which

stations represented approximately 80% of this.

• 97% of all units shipped in 2009 were lowtemperature fuel cells, with PEM fuel cells

accounting for 73% of this.

• In terms of fuel 2009 was dominated by direct

hydrogen with “Other” taking a significantlyincreasing share.


14/56

Svemirski program koriste se desetljećimaPodmornice u upotrebi

Automobili demonstracije

Primjena Status

Primjene gorivnihPrimjene gorivnih članakačlanaka i njihov statusi njihov status

Proizvodnja el. energije demonstracijePrenosni agregati vojne primjene

Zamjena za baterije blizu komercijalizacije



15/56

Mogućnost postizanja visoke efikasnosti

Mogućnost rada bez emisijaKoriste vodik kao gorivo/vodik se može proizvesti iz obnovljivih/lokalnih izvora/

ZaZaššto gorivnto gorivnii člancičlanci

p an e nac ona ne s gurosJednostavne/moguća niska cijena

Nemaju pokretnih dijelova/mogućnost dugotrajnog rada

Modularne

Tihi rad



16/56

elektroda

Gorivni članak je elektrokemijski pretvarač energije.

Pretvara kemijsku energiju goriva (H2) direktno u električnu energiju.

Što je gorivnŠto je gorivnii članakčlanak??

Elektrolit (membrana)

elektrodakisik

voda


el. energija

FUEL CELL


17/56

elektroda

Gorivni članak je elektrokemijski pretvarač energije.

Pretvara kemijsku energiju goriva (H2) direktno u električnu energiju.

Što je gorivnŠto je gorivnii članakčlanak??

Elektrolit (membrana)

elektrodakisik

voda


el. energija


18/56

Vrste gorivnihVrste gorivnih članakačlanaka

(ovisno o elektrolitu)

Alkalijske

Polimerne membrane (PSA)Polymer Electrolyte Membraneili Proton Exchange Membrane

PEM

Fosforna kiselinaRastopljeni karbonat

Kruti oksid

-Direkt metanol gorivni članci su PEM gorivni članci-Cink/zrak gorivni članci nisu gorivni članci


19/56

H2 O2

H2OOH-

H2O

depleted oxidant and

product gases out

depleted fuel and

product gases out

load

e-

AFC 65-220 °C

- °

Reakcije u gorivnim člancima

2 2

H2OH2

O2

H2O

CO3=

H2 O2

H2O O

=

CO2CO2

oxidant infuel in

anode cathodeelectrolyte

PAFC

MCFC

SOFC

(CO)

(CO)

(CH4)

205 °C

650 °C

600-1000 °C



20/56

H2 + 2OH _ → 2H2O + 2e-

A E K

½ O2 + 2e _ → H2O + 2OH

_

2e _

2OH _

Elektrolit = lužina (KOH)

Elektrolit = polimerna membrana

H2 → 2H+ + 2e-

A E K

½ O2 + 2H+ + 2e _ → H2O

2e _

2H+

ili fosforna kiselina


21/56

H2 + CO3= → H2O + CO2 + 2e-

A E K

½ O2 + CO2 + 2e _ → CO3=

2e _

CO3=

CO + H2O → H2 + CO2

Elektrolit = rastopljeni karbonatLitijev i kalijev karbonat (Li2CO3/K2CO3) ili

Litijev i natrijev karbonat (Li2CO3/Na2CO3)

u keramičkoj matrici (LiAlO2)

H2 + O= → H2O + 2e-

A E K

½ O2 + 2e _ → O=

2e _

O=

CO + H2O → H2 + CO2

CH4 + H2O → 3H2 + CO

Elektrolit = kruti oksidcirkonijev oksid (ZrO2) stabiliziran

s 8-10% itrijevog oksida (Y2O3)


22/56

Sve primjene, kumulativno broj sustava u svijetu30000300003000030000

35000350003500035000

Raspodjela po vrstama

Statistički podaci o gorivnimStatistički podaci o gorivnim člancimačlancima

Izvor:

20082007


23/56

Jednostavni

Brz start

Brz odziv

ZaZaššto membranskto membranskii (PEM) gorivn(PEM) gorivnii člancičlanci??

Visoka efikasnost

Velika gustoća snage (kW/kg i kW/l)

Bez štetnih emisija



24/56

PEM Fuel Cell (membranskPEM Fuel Cell (membranskii gorivngorivnii članakčlanak): kako radi?): kako radi?

membranaelektroda elektroda

25-50 µm


25/56



MembranePorous

electrode

structure

Carbonsupport

Platinum


26/56

2H+

kolektorska

ploča

kolektorska

ploča

2e-

O2

opskrba kisikom


vanjsko opterecenje


1/2O2 + 2H+

+ 2e-

→ H2O

H2OH2

opskrba vodikom

H2 → 2H+ + 2e-

Ukupno: H2 + 1/2O2 → H2O


27/56

Reakcija na anodi: H2 →→→→ 2e – + 2H+ oksidacija

Reakcija na katodi : ½O2 + 2e – + 2H+ →→→→ H2O redukcija

Ukupna reakcija: H2 + ½O2 →→→→ H2O

Ista reakcija kao i izgaranje vodika

Malo teorije

H2 + ½O2 →→→→ H2O + ∆∆∆∆H (toplina)

Voda proizvedena: – 286 kJ/mol

Vodena para proizvedena: – 241 kJ/mol

∆∆∆∆ znači razliku izmedju produkata i reaktanata

Entalpija reakcije: ∆∆∆∆H = (hf

)H2O

– (hf

)H2

– ½(hf

)O2

= – 286 – 0 – 0 = – 286 kJ/mol


28/56

Toplina reakcije izgaranja – gornja ogrijevna moć

1 mol H2 + ½ mol O22 g H2 + 16 g O2T = 25 C (298.15 K)

1 mol H2O (l)

18 g H2O (l)T = 25 C (298.15 K)

Toplina = 286 kJ


29/56

Toplina reakcije izgaranja – donja ogrijevna moć

1 mol H2 + x mol O22 g H2 + 32x g O2T = 25 C (298.15 K)

1 mol H2O (g) + (x- ½) mol O218 g H2O (g)T = 25 C (298.15 K)

Ako je sva proizvedena voda u obliku pare Toplina = 241 kJ

Razlika je toplina isparavanja/kondenzacije vode (45 kJ/mol)


30/56

Nema izgaranja u gorivnom članku!

Gorivni članak generira električnu energiju direktno! Koliko?

H2 + ½O2 →→→→ H2O + ∆∆∆∆H (toplina)

Još malo teorije

Može li se sva entalpija reakcije pretvoriti u korisni rad (el. energiju)?

Za kemijske reakcije: ∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H – T ∆∆∆∆S

∆∆∆∆G = Gibbsova slobodna energija = – 237.2 kJ/mol(pri 25ºC)

Za mehaničke procese: W = Q – T∆∆∆∆S


31/56

I još malo teorijeEl. rad = elektricitet x napon

Mehanički rad = put x sila

Elektricitet =

El. snaga = jakost struje x napon

Mehanička snaga = protok x tlak

elektrona/molekuli H2 molekula/mol Coulombs/elektron2 6.022x10

23

1.602x10-19

X X

Farada eva konstanta

∆∆∆∆G = – 2FE

E = napon

Električni rad =

= – ∆∆∆∆G2F = 2372002x96485 = 1.23 V (pri 25ºC, 1 atm)

Teoretski (idealni) napon gorivnog članka iznosi 1.23 V (pri 25ºC, 1 atm)

96,485 C/elektron-molCoulomb = Amper-sekunda


32/56

∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H - T ∆∆∆∆S

nF

ST

nF

H

nF

G ∆∆∆

−−−−==== At 25ºC V231nFG

.====

∆V4821nF

H

.====

∆V2520nF

ST

.====

∆

ET = 1.482 – 0.000845T

Teoretski (idealni) napon gorivnog članka smanjuje se s temperaturom

a povećava s tlakom

Napomena: ∆∆∆∆H i ∆∆∆∆S su funkcije od TZa T


33/56

Teoretski napon gorivnog članka

– funkcija temperature

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

t i a l ( V

liquid water

water vapor

0.80.85

0.9

0.95

1

1.05

0 200 400 600 800 1000 1200

temperature (C)

C e l l P o

t e


34/56

Sva dosadasnja razmatranja su se odnosila na ambijentni tlak

P = 1 atm, P = 101.3 kPa; P = 1.013 bar

⋅⋅⋅⋅ 50PP .

Teoretski (idealni) napon gorivnog članka ovisi o tlaku

Nernstova jednadžba:

⋅⋅⋅⋅++++====

OH

50

OH0P

2

22

P

PP

nFRTEE

.

ln

P = parcijalni tlak

++++−−−−====OH

TP

2

2

PF2

T00084504821E , ln..

⋅⋅⋅⋅++++−−−−====

OH

50OH

TP

2

22

P

PPT00004310T00084504821E

.

, ln...

Pri 80ºC: 1.186 VZrak umjesto O2: 1.174 V (PO2 = 0,21)

PH2O = 1


35/56


36/56

Često se efikasnost izražava sa donjom ogrijevnom moći

U motorima s unutrašnjim izgaranjem produkti izgaranja se ispuštajuna temperaturama iznad 100ºC – proizvedena voda je u obliku pare.Zbog toga se toplina kondenzacije ni ne može iskoristiti pa je uobičajenokoristiti donju ogrijevnu vrijednost za izraziti stupanj djelovanja motora.

Gornja ogrijevna vrijednost vodika: 286 kJ/molDonja ogrijevna vrijednost vodika: 241 kJ/mol

2237G .∆Efikasnost u odnosu na gornju ogrijevnu moć:

0286H

.

.

============

∆

η

9800241

2237

H

G.

.

.============

∆∆

η

∆∆∆∆G/2F = 1.23 V∆∆∆∆Hg /2F = 1.482 V∆∆∆∆Hd /2F = 1.254 V

Efikasnost je:

(slucaj kondenzirajućih bojlera koji imaju ηηηη>100%)

4821

Vcell.

====η

2541

Vcell

.

====η

Efikasnost u odnosu na donju ogrijevnu moć:

∆∆∆∆Hg

∆∆∆∆Hd


37/56

Stvarni napon je uvijek manji!

0.97


38/56

0.97

current

v o

l t a g e

0.97

1.174

0

Stvarni napon je uvijek manji!

0.950.900.800.700.600.50

Napon gorivnog članka opada s proizvedenom strujom.


39/56

0.8

1

1.2

( V )

Polarizacijska krivulja gorivnog članka

aktivacijski gubici

teoretski (idealni) napon

)

Radni napon gorivnog članka se smanjuje jer postojegubici uslijed proizvodnje struje!

0

0.2

0.4

0.6

0 500 1000 1500 2000

current density (mA/cm²)

c e l l p o t e n

t i a l

gubici otpora

koncentracijskigubicirezultirajuća V vs. i krivulja

gustoća struje (mA/cm2)

n a p o n

(


40/56

Polarizacijska krivulja je funkcija:-Radnog tlaka

-Radne temperature

-Koncentracije reaktanata-Protoka reaktanata

-

-Debljine i vodljivosti membrane-Kontaktnog pritiska

K lik j fik t i čl k ?


41/56

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

e n c y ( H H V )0.8

0.7

0.6

e n c y

( L H V )

e n c y

( H H V )

Kolika je efikasnost gorivnog članka?

0

0.1

0.2

0.3

.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

power density (W/cm²)

e f

f i c i

.

0.4 e f f i c i

e f

f i c i

Efikasnost gorivnog članka je proporcionalna naponu: Vcell/1.482 (HHV)

Vcell/1.254 (HHV)


42/56

Gorivna ćelija generira struju pri 1000 Ampera

Za 100 kW snage trebala bi proizvesti >100000 Ampera

Pri 1 Amp/cm2 trebala bi površina >10 m2

P = V x I

Gorivne ćelije se povezuju serijski u “svežanj”

i do 200 članaka u svežnju

Za 100 kW trebala bi proizvesti >500 A pri 500 cm2


43/56

oxidant in

hydrogen out

coolant in

end platebus plate

bi-polar collector plates

Za dobiti veći napon gorive ćelije se serijski udružuju u svežnjeve

membrane

anode

oxidant + water out

hydrogen in

coolant outtie rod

Svežnjevi s više od 100 ćelija su napravljeni

Svežnjevi se mogu povezivati (serijski ili paralelno)

ca o e


44/56


45/56

ispuh

regulator

tlaka

kompresor

DC/

DCspremnik

vodikagorivni članak

propuhivanje

vodika

Primjer kompletnog sustava gorivnih članakavanjsko opterećenje

regulator

tlaka

water

tankizmjenjivač

topline

pumpa

za vodu

MM

M

ventilator

ovlazivač

baterija

za start



46/56

kompresor

izmjenjivači

topline

spremnik vodikaregulator tlaka DC/DC inverter

Stvarni sustav gorivnihStvarni sustav gorivnih ččlanakalanaka

gorivni članak

baterija

ovlaživačzraka

spremnik

za vodu

pumpa za vodu

Mikeove cipele, oops!

elektro-motor

Svaki proizvodaSvaki proizvodačč automobila je veautomobila je većć demonstriraodemonstrirao


47/56

Svaki proizvodaSvaki proizvodačč automobila je veautomobila je većć demonstriraodemonstriraoprototipni automobil na pogon gorivnim čprototipni automobil na pogon gorivnim člancimlancimaa

FCX Clarity


48/56

FCX Clarity


49/56

Essen, Germany, 16-21 May, 2010

Autobusi na pogon gorivnim člancima


50/56

Autobusi na pogon gorivnim člancima

Više od 1 milijun km napravljeno


51/56

Mali (1Mali (1 5 kW) kogeneracijski gorivni5 kW) kogeneracijski gorivni ččlanci zalanci za


52/56

Mali (1Mali (1--5 kW) kogeneracijski gorivni5 kW) kogeneracijski gorivni ččlanci zalanci za

rezidencijalnu primjenurezidencijalnu primjenu – – demonstracije u Europi i Japanudemonstracije u Europi i Japanu

MalMalii gorivngorivnii člancičlanci kao zamjena za baterijekao zamjena za baterije


53/56

gg j jj j

GorivneGorivne ććelije su već demonstrirane u gotovoelije su već demonstrirane u gotovoi ći i ji ći i j


54/56

svim mogućim primjenamasvim mogućim primjenama

AutomobiliAutobusiSkuteriBicikleVozila za golf terene

Primjene u svemiruZrakoploviLokomotiveBrodoviPodmornice

Distribuirana proizvodnja strujeKogeneracijaBack-up uređajiPrenosni uređajiZamjena za baterije

Laboratorij za nove energetske tehnologije


55/56


nzznzz


56/56


nzznzz

Documents

10 Nove Tehnologije - Gorivni Clanci