Laboratorij za termoenergetiko

Vodikove tehnologije in PEM gorivne celice

Pokrivanje svetovnih potreb po energiji

2Tehnologija gorivnih celic

nafta 32%

premog 27%plin 22%

jedrska 6%

biomasa 10% voda 2%

sonce 0,4%

veter 0,3%

geoterm. 0,2%

biogoriva 0,2%

fotovolt. 0,04%

Kljub naprednim načinom pridobivanja energentov so zaloge omejene.

Potencialna rešitev so obnovljivi viri energije OVE

Prihodnja energijska oskrba

3Tehnologija gorivnih celic

Prihodnja energijska oskrba

Trajnostna RVE OVE

Poraba <> Proizvodnja

Shranjevanje energije

0 24 48 72 96 120 144 168

po

rab

a in

pro

izvo

dn

jae

lekt

ričn

ee

ne

rgije

čas / h

sonce

veter

poraba

primanjkljaj energije

presežek energije

1. Veljati mora energijska bilanca – porabimolahko toliko energije, kot jo proizvedemo

2. Veljati mora sočasnost – električno energijoje treba proizvesti takrat, ko jo potrebujemo– shranjevanje še vedno nerešljiv izziv

Tehnologije shranjevanja električne energije

4Tehnologija gorivnih celic

Shranjevanje energije

Mehansko

ČHE

Masni vztrajniki

Komprimiran zrak

Kemično Elektrokemično

H2 tehnologije

Baterije

Električno

Kondenzatorji

Magnetne tuljave

Toplotno

Latentno

Senzibilno

Vodikove tehnologije

5Tehnologija gorivnih celic

H2 tehnologije

Pridobivanje

Elektroliza

Reforming

....

Shranjevanje

Tlačne posode

Tekoči vodik

Metal hidridi

...

Elektrokemična pretvorba (GC)

PEMGC

SOFC

AFC

...

a) Tehnologije za pridobivanje vodika

b) Tehnologije hranjenja in transporta vodika

c) Tehnologije direktne elektrokemične pretvorbe vodika v EE

Vodikove tehnologije - Pridobivanje

6Tehnologija gorivnih celic

H2 tehnologije

Pridobivanje

Elektroliza

Reforming

....

Parni Reforming (CxHy):

Reaktor:1. reakcija: CnHm + nH2O + → nCO + (n/2+n)H2

2. reakcija: CO + H2O→ CO 2 + H2 +

Vodikove tehnologije – Shranjevanje in lastnosti H2

7Tehnologija gorivnih celic

Shranjevanje:

Lastnosti pri normalnih pogojih: H2 tehnologije

Shranjevanje

Tlačne posode

Tekoči vodik

Metal hidridi

...

• zgornja kurilnost: 12745 kJ/m3

• spodnja kurilnost: 10800 kJ/m3

• izotopi: 1H vodik, 2H devterij, 3H tritij• najbolj razširjen element v vesolju• 3x večja kurilnost kot dizelsko gorivo

• dvo-atomen plin (H2)• brez barve• brez vonja• nestrupen• tališče: -259 °C• vrelišče: -252,8 °C

Gorivne celice

8Tehnologija gorivnih celic

H2 tehnologijeElektrokemična pretvorba (GC)

PEMGC

SOFC

AFC

...

Pretvorba energije iz goriv v elektriko

Krožni procesi:

gorivoelektričnaenergija

?Gorivne celice

gorivo

zgorevanje

dimni plini paramehanskaenergija

električnaenergija

prenosnikitoplote

turbina generator

Neposredna pretvorba:

9Tehnologija gorivnih celic

Prednosti in slabosti gorivnih celic

+ boljši energijski izkoristek kot pri krožnih procesih

+ brez škodljivih emisij pri obratovanju (vodik)

+ ni gibljivih delov

+ nizka stopnja hrupa

tehnologija izdelave

problemi pri delovanju

občutljivost in iztrošenje katalizatorjev

dragi in redki materiali

življenjska doba obratovanja

pridobivanje goriva (vodik)

10Tehnologija gorivnih celic

PREDNOSTI SLABOSTI

Pridobivanje vodika z elektrolizo (PEM)

11Tehnologija gorivnih celic

Elektrolitski reaktor

Tehnologija gorivnih celic 12

anoda (oksidacija): 2H2O(l) → O2(g) + 4H+ + 4e− E0 = −1,23 V

katoda (redukcija): 2H+(aq) + 2e− → H2(g) E0 = 0,00 V

Faradayev prvi zakon elektrolize:

Fzp

tITRV

Fz

tIMm

Fz

tIn

teo

teoteo

,reak

,reak,reak

tIU

HV

W

Wη

S

el

re

H2,H2H2,

energijski izkoristek:

Elektroliza:

Delovanje PEM gorivnih celic

13Tehnologija gorivnih celic

Gorivna celica

Tehnologija gorivnih celic 14

H2,H2

,

Svodik

elekticnage

HV

tIU

W

W

energijski izkoristek:

anoda (oksidacija): H2 → 2H+ + 2e− E0 = 0,00 V

katoda (redukcija): ½O2 + 2H+ + 2e− → H2O E0 = 1,23 V

Reakcije:

Sklad gorivnih celic

15Tehnologija gorivnih celic

Termodinamika PEM gorivnih celic

Tehnologija gorivnih celic 16

83,0f

f0

H

G

0… standardni pogoji (p = 1 atm, T = 298 K)

V23,1f0

Fz

GE

felec GW

∆𝐻𝑓 = -286 kJ/mol

∆𝐺𝑓 = -237 kJ/mol

𝐹 = 96485 As/mol

STHG

Gibsova prosta energija

napetost in izkoristek gorivne celice

Uporaba gorivnih celic

17Tehnologija gorivnih celic

Razvoj prototipnega sistema

18Tehnologija gorivnih celic

Naloga

Tehnologija gorivnih celic 19

Gorivna celica s protonsko izmenjevalno membrano (PEMGC), deluje v obratovalnitočki pri 0,9 A/cm2 in 0,6 V, velikost aktivne površina PEMGC pa je 100 cm2.

a) Izračunaj potreben molski, masni in volumski tok vodika ter zraka, če je njunatemperatura 15 °C pri tlaku 1 bar. Uporabljen je presežek vodika λH2 = 1,25 terpresežek zraka λzrak = 2. Za vlažen zrak približno velja, da je molski delež kisika xO2 = 0,207, njegova molska masa pa Mzrak = 28,86 g/mol.

b) Izračunaj moč in izkoristek v obratovalni točki.

Gore Primea® 56

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

U (

V)

| η

(/)

j (A cm-2)

Series1

Series3

Series2

Naloga

a) Pretoki zraka in vodika b) Električna moč in izkoristek

Tehnologija gorivnih celic 20

𝑛𝑟𝑒𝑎𝑘,𝑡𝑒𝑜 =𝐼

𝑧 ∙ 𝐹=𝑗 ∙ 𝐴

𝑧 ∙ 𝐹

𝑧𝐻2 = 2

𝑧𝑂2 = 4

𝑛𝑟𝑒𝑎𝑘,𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝜆𝑟𝑒𝑎𝑘 ∙ 𝑛𝑟𝑒𝑎𝑘,𝑡𝑒𝑜

𝑚𝑟𝑒𝑎𝑘,𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑀𝑟𝑒𝑎𝑘 ∙ 𝑛𝑟𝑒𝑎𝑘,𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑉𝑟𝑒𝑎𝑘,𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑛𝑟𝑒𝑎𝑘,𝑟𝑒𝑎𝑙 ∙𝑅 ∙ 𝑇

𝑝

𝑃𝑆𝐾𝐿𝐴𝐷 = 𝐼 ∙ 𝑈𝑆𝐾𝐿𝐴𝐷

𝜂𝑆𝐾𝐿𝐴𝐷 =𝑃𝑆𝐾𝐿𝐴𝐷

𝑄𝑖𝑛=2 ∙ 𝐹 ∙ 𝑈𝐺𝐶𝜆𝐻2 ∙ 𝐻𝐻2,𝑠

𝐹 = 96485 As/mol

𝐻𝐻2,𝑠 = 286 kJ/mol