Gorivne ćelije – novi izvori energije

Department of Materials Engineering, Faculty of Technology, University of Novi Sad

Sadržaj

Zašto gorivne ćelije? Šta su to gorivne ćelije? Karakteristike gorivnih ćelija Trenutno stanje u tehnologiji gorivnih ćelija Gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom Aktuelna istraživanja na TF

Danas se više od 90 % energije dobija iz fosilnih goriva (nafta, gas, ugalj)

Zašto gorivne ćelije?

Ograničene rezerve fosilnih goriva- Predviđa se da će se za 50-100 godina iscrpeti sve rezerve nafte i gasa

Zagađenje životne sredine- Emisija gasova staklene bašte, zagađeni vodotokovi,

nuklearni otpad

Zašto gorivne ćelije?

Potrebno je pronaći obnovljive, efikasne i čiste izvore energije

Zašto gorivne ćelije?

Šta su to gorivne ćelije?

Gorivne ćelije – uređaji koji proizvode električnu i toplotnu energiju elektrohemijskim kombinovanjem gasovitog goriva (vodonik, ugljen-monoksid, prirodni gas i sl.) i oksidujućeg gasa preko jonski provodnog elektrolita

Delovi gorivne ćelije:

- Katoda

- Elektrolit

- Anoda

Šta su to gorivne ćelije?

Katoda:

- Jonski i elektronski provodnik

- Katalizator reakcije redukcije

- Stabilnost u oksidacionim uslovima

Anoda:

- Jonski i elektronski provodnik

- Katalizator reakcije oksidacije goriva

- Stabilnost u redukcionim uslovima

Šta su to gorivne ćelije?

Šta su to gorivne ćelije?

Elektrolit:

- Čist jonski provodnik

- Stabilnost i u oksidacionoj i u redukcionoj atmosferi

- Potpuno razdvajanje gasovitog goriva i oksidanta

Podela gorivnih ćelija:

Nisko temperaturne gorivne ćelije sa polimernim elektrolitom(Polimer Elektrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)

Alkalne gorivne ćelije (Alkaline Fuel Cell, AFC) Gorivne ćelije sa elektrolitom na bazi fosforne kiseline

(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) Gorivne ćelije sa tečnim karbonatima

(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) Gorivne ćelije sa čvrstim oksidom

(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

Šta su to gorivne ćelije?

Šta su to gorivne ćelije?

Upoređivanje emisije i efikasnosti gorivnih ćelija sa drugim tehnologijama za proizvodnju energije:

Uporedni prikaz emisije gasova prema EURO II

motorima kao referencom

Upoređivanje efikasnosti sa drugim generatorima energije

Karakteristike gorivnih ćelija

Velika ulaganja u istraživanje i razvoj (Siemens, Ballard, General Electric, DaimlerChrysler)

U.S. Department of Energy – ulaganja u razvoj SOFC tehnologije u periodu 2000. – 2010. će iznositi oko 1 milijarde dolara

Stacionarni sistemi gorivnih ćelija na tržištu su u 2003. imali vrednost oko 154.2 miliona dolara, a očekuje se da će do 2009. dostići 11.4 milijarde dolara

Trenutno stanje u tehnologiji gorivnih ćelija

Fuel cell bus (MAN) Fuel cell delivery car (GM/Opel)

Fuel cell delivery truck (DaimlerChrysler)

Fuel cell bus (DaimlerChrysler)

Siemens-Westinghouse250 kW SOFC

Siemens-Westinghouse220 kW SOFC

Gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom (SOFC):- Elektrolit je gusta oksidna keramika- Porozne keramičke elektrode- Visoka efikasnost (do 80% sa kogeneracijom)- Niska emisija CO2, NOx, SOx - Tih rad- Razne vrste goriva (H2, CO, CH4, dizel)- Konvencionalni elektrolit na bazi ZrO2 stabilisan sa Y2O3 (YSZ)- Radna temperatura oko 1000°C- Stacionarni sistemi velike snage

Gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom

Mali napon jedne ćelije – ispod 1 V Povezivanje više gorivnih ćelija u multićelijske

stakove (Engleski – stuck) Dve konfiguracije staka:

Planarni stak Tubularni stak

Gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom

Nedostaci SOFC-a:

- Visoka radna temperatura

- Skupi keramički materijali

- Nedovoljna trajnost

- Skupo održavanje

Gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom

Sniženje radne temperature sa 1000°C na 500- 700°C dovelo bi do smanjenja cene SOFC sistema:

- Upotreba jeftinih ugljeničnih čelika- Smanjenje vremena startovanja- Produžena trajnost i povećana pouzdanost- Lakše i jeftinije održavanje

Gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom

Koriste se dva pristupa u cilju smanjenja radne temperature SOFC-a:

1. smanjenje debljine elektrolita (do 15 μm)

2. nalaženje novih, superiornih jonskih provodnika (dopirani CeO2 i LaGaO3)

Gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom

Mogućnost primene Sr i Mg dopiranog lantan-galata

Perovskitna struktura – Sr zamenjuje deo La, a Mg deo Ga

La1-xSrxGa1-xMgyO3-δ (LSGM), gde su x i y u intervalu 0-0.2

Provodljivost na 500-700°C je skoro deset puta veća nego kod YSZ na istoj temperaturi

Aktuelna istraživanja na TF

Nedostaci LSGM:

- Relativno nov sistem, još nedovoljno istražen

- Lako stvaranje neželjenih faza tokom sinteze

- Visoka temperatura sinterovanja

- Reaktivnost prema anodi u uslovima primene

- Skupe polazne sirovine

Aktuelna istraživanja na TF

HVALA NA PAŽNJI!