УНИВЕРЗИТЕТ „Св. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ“ - БИТОЛАТЕХНИЧКИ ФАКУЛТЕТ - БИТОЛА

СЕМИНАРСКА РАБОТА

ТЕМА: ГОРИВНИ ЌЕЛИИ И НИВНА ПРИМЕНА ВО

МОТОРНИТЕ ВОЗИЛА

Изработил: Професор: Стојковска Виолета академик Глигор Каневче бр.индекс 6317

1

Битола, 2008

СОДРЖИНА:

АПСТРАКТ1. ВОВЕД 12. ГЛОБАЛЕН ПРОЦЕС КОН ЧИСТА ЕНЕРГИЈА 33. ЕНЕРГИЈА И ЕКОЛОГИЈА 4 3.1. LIBER PERPETUUM-ГОРИВНИ ЌЕЛИИ 44. САЕМ НА АВТОМОБИЛИ ВО ТОКИО 55. ВОЗИЛА НА ГОРИВНИ ЌЕЛИИ 6 5.1. Сузуки на горивни ќелии 6 5.2. Хонда на горивни ќелии 7 5.3. Hy Wire од General Motors 7 5.4. Автобус на горивни ќелии 96. ГOРИВНИ ЌЕЛИИ СО ПОЛИМЕР ЕЛЕКТРОНСКА МЕМБРАНА (PEM) 9 6.1. Како работи системот на PEM горивните келии 107. ЗАКЛУЧОК 118. КОРИСТЕНА ЛИТЕРАТУРА 12

2

АПСТРАКТ

Горивните ќелии се уреди кои по електрохемиски пат произведуваат

електрична енергија од горивото – водородот. Слични се на батериите, кои

исто така произведуваат електрична струја со електрохемиски процес, но

горивните ќелии се снабдуваат со водород и кислород, па не можат да се

испразнат.

Првата горивна ќелија ја конструирал Вилијам Гроув (Wilijam Grouv)

уште во 40те години на IXX век. Гроув (Grouv) го поставил принципот на работа

така што направил систем од четири ќелии при што секоја од нив содржела

водород и кислород, и произведената електрична енергија ја користел за

разложување на водата на елементи во дополнителната ќелија. Од

откривањето на горивните ќелии до нејзината употреба поминале цели 120

години. НАСА (NASA) прва ја демонстрирала употребата на овие системи како

извор за струја во леталата и ракетите во текот на свемирските летови

Џемини (Džemini) во 1960 година. Во таа прилика сите овие системи се

покажале многу добро, но понатамошниот развој го стопирале големите

паришни вложувања и техничките бариери. Познати се големите проблеми на

Аполо 13 кои за малку ќе се завршеше катастрофално кога заради губење на

кислородот од резервоарот неможело да се произведува електрична струја во

горивната ќелија.

Во оваа семинарска работа на почетокот е даден преглед на

глобалниот процес за чиста околина, кој процес е возможен со примена на

еколошки чисти горива како што е водородот. Со употреба на водородот како

гориво во моторните возила, наместо штетните издувни гасови кои се

добаваат од моторите со внатрешно согорување се добива чиста вода.

Во понатамошниот дел од семинарската работа се обајнети неколку

типови на моторни возила кои како погон користат горивни ќелии. Така, даден

е опис на возила од марките Сузуки и Хонда, прототип на возило Hy Wire од

General Motors, како и еден пример за употреба на горивните ќелии во

автобусите.

3

На крајот е даден принципот на работа на системот на горивни ќелии со

полимер електронска мембрната. Тоа е систем кој најчесто се користи во

моторните возила.

1. ВОВЕД

Голем е бројот на истражувачи кои ширум светот интензивно работат

на развој на нови извори на енергија кои би ги замениле постоечките базирани

на фосилни горива. Употребата на фосилните горива ги ограничува

природните ресурси нафта и јаглен. Другиот ограничувачки фактор и

еколошката природа. Моторите со внатрешно согорување емитувајќи гасови,

пред се јаглерод диоксид, значајно ја загадуваат животната природа. Овие

издувни продукти влијаат на глобалното загревање и придонесуваат за појава

на т.н ефект на стаклена градина. Како алтернативни на фосилните горива се

наметнуваат сончевата енергија, силата на ветерот, биогоривата и др.

Најновите испитувања се поврзани за искористување на соларната енергија

одбиена од Месечината.

Најблиску до масовната практична употреба се горивните ќелии или

горивните галвански елементи. Тоа се електрохемиски реактори во кои што

хемиската енергија со голема ефикасност се претвора во електрична. Тие

функционираат слично на батериите и користат залихи на водорот и кислород

за реакцијата со која се произведува струја.

Испитувањата и развојот на горивните ќелии, како и другите

алтернативни извори на енергија забрзан од појавата на првата голема

нафтена криза во 70те години на минатиот век. Врз основа на соединенијата

кои се користат како извор на водорот се разликуваат неколку типови на

горивни ќелии. Современите испитувања се поврзани за пет основни видови

на горивни галвански спреги: нискотемпературни или оние со полимерни

мембрани, алкални, фосилно – киселински, карбонатни и цврсто оксидни.

Покрај наведените модели значајни се и регенеративните горивни ќелии. Во

нив водорот и кислородот се добиваат со електролиза на вода, а

електричната енергија потребна за оваа реакција се добива од соларни ќелии.

Основните елементи на секоја горивна ќелија се позитивна и негативна

електрода и електролит. Дополнителните надворешни елементи го

сочинуваат резервоарот со гориво, компресорот, пумпата за циркулација на

4

електролит, ладилниците и регулаторите на температурата и т.н.

Максималниот напон кој може да го даде една ќелија е околу 0,8 V, што е

доволно за светење на една сијалица, но не и за придвижување на возило.

Затоа низата спреги меѓусебно се поврзуваат во систем чиј напон е

мултициплиран со бројот на споените единици.

Во последно време горивните ќелии добиле широка примена во

секојдневниот живот. Од експериментални модели и лабораториски прототипи

се развиле во комерцијални производи. Овие системи според намената се

делат на портабл, транспортни и статични. Портабл горивните ќелии се

користат како извори на електрична енергија за напојување на мобилните

телефони, преносните персонални компјутери и сл. Транспортните имаат

примена во автомобилите, а статичните служат за комплетно напојување на

електро – енергетските системи на стамбените згради и деловните објекти.

Горивните галвански елементи имаат поголем степен на искористување во

однос на моторите со внатрешно согорување. Освен тоа, тие се прифатливи и

од гледиште на зачувување на животната средина. Тоа е чиста технологија

која не ја загадува околината бидејќи во текот на работата се ослободува

водена пареа наместо јаглерод диоксид.

Поранешниот астронаут Кент Камерун (Kent Kamerun) изјавил дека тој и

неговите колеги во текот на мисијата пиеле вода, продукт на работата на

горивните елементи со кои се напојувало леталото. Еколошки проблем е

моженото климатско влијание на емисијата на водена пара до која би дошло

при масовно користење на овие системи.

За да биде една технологија широко прифатена и применета во

праксата мора да задоволува четири основни критериуми. Корисникот мора

јасно да ги види нејзините предности во однос на постоечките технологии,

мора да биде веродостојна, компатабилна со постоечките системи и лесно

сфатлива. Во овој момент горивните ќелии не ги исполнуваат сите овие

услови. Прва негативна карактеристика е високата цена на електричната

енергија добиена со помош на горивните галвански спрегови. Се проценува

дека киловат струја произведена во свемирските бродови вреди 600.000

долари.1 За да можат горивните ќелии да се користат за напојување во

автомобилите, струјата би требало да чини помеѓу 25 и 50 долари по киловат.

1 http://www.ekonomist.co.yu/magazin/index.htm , Gorivne ćelije, Biljana Šljukić

5

Друг проблем е и инфраструктурата. За работа на горивните ќелии потребен е

водород, па во случај на негова примена за придвижување на автомобилите

потребно е изградба на станици за снабдување со водород или преуредување

на постоечките бензински пумпи за таа намена. Тоа е причина што горивните

ќелии се користат повеќе за напојување на автобуси отколку за приватни

автомобили.

На крововите од автобусите можат да се вградат резервоари со

еднодневни залихи на водород, кои во текот на ноќта би се полнеле во

депоата. Во Чикаго за прв пат се воведени автобуси во 1998 година кои

работат на водородни горивни ќелии. Сите поголеми автомобилски

ккомпании, како што е Форд, Генерал моторс, БМВ, Хонда, Мерцедес и други

веќе направиле и промовирале свои прототипови на патнички автомобили кои

го користат водородот како гориво. Во Генерал Моторс го решиле проблемот

на инфраструктурата со употреба на бензинот за производство на водородот.

Нивниот модифициран Шевролет С-10 е прво возило со горивни ќелии со

бензин кое навистина функционира. Секако дека водородот е многу полесно

да се издвои од метанолот или природниот гас, но, бензинот е единствено

гориво кое е лесно достапно за возачите на бројните бензиски пумпи.

Системот работи така што смесата на воздух и бензин со ниска содржина на

сулфур преминува преку низа од катализатори кои го издвојуваат водородот.

Тој се насочува до делот каде се соединува со кислородот од воздухот за да

се произведе електрична енергија.

Еколозите се сомничави и истакнуваат дека ваквите системи и

понатаму емитуваат јаглерод диоксид. Но, во Генарал моторс тврдат дека

нивото на издувните гасови е намалено за 50% во однос на моторите со

внатрешно согорување. Возилото е потешко од стандардното, многу е бучно,

емитува облак од водена пареа, но има и добри карактеристики. Степенот на

искористување кај овој систем е 50% повеќе отколку кај класичните мототри.

Генерал моторс моментално има за цел ефикасност, а не перформанси, но се

смета дека верзијата S – 10 ќе биде со напојување од горивни ќелии, а со

слични перформанси како кај моделите со мотори со внатрешно согорување.

Се очекува да се појави на пазарот до 2010 година.

Сите показатели укажуваат на тоа дека горивните ќелии се иднина која

тропа и на нашата врата.

6

2. ГЛОБАЛЕН ПРОЦЕС КОН ЧИСТА ЕНЕРГИЈА

Заштитата на човековата околина често е една од најважните теми во

меѓународните медиуми. Влијанието на јаглеродните испарувања, како и

политичката нестабилност во некои од државите произведувачи на нафта, го

навеле еден дел од американските авио – индустрии да започнат да работат

на производство на возила на т.н алтернативни горива.

Сл. Бр.1: Возило кое како погон користи горивни ќелии,

односно како извор на енергија користи водорот

Се поголем е бројот на сопственици на автомобили кои се грижат како

нивната зависност од автомобилот влијае на околината. Националното

здружение за промоција на водорот како гориво, неодамна во Калифорнија

одржало собир под името „Глобален процес кон чиста енергија“. Најголемите

авто – компании, како што се Генералс моторс, Тојота, Хонда, Ауди и

Фолксваген ги прикажале своите експериментални возила на водород. Во

прашање се возила кои користат горивни ќелии, во кои што со помош на

водород и кислород се добива електрична енергија, која го задвижува

електро-моторот на возилата. Затоа нема штетни испарувања, туку ќелијата

како отпад исфрла само вода и топлинска енергија. Џефри Серфас (Džefri

Serfas) е претставник на националното здружение за промоција на водородот.

Со помош на водородот може да се добие гориво за возилата од друг

облик на енергија – ветер, јаглен или атомска енергија. Сите тие енергенти не

може да се стават во резервоарот, но можат да се претворат во водород.

7

Во конгресниот центар Лонг Бич (Long Bič), во Калифорнија, неодамна

се прикажани нејновите водородни технологии – од водородни ќелии на авто

– гигантот Хонда до производите на малите компании. На штандот на

калифорниската фирма „Водородни автомобилски системи“ прикажана е

макета на полициско возило на горивни ќелии – опишано како водородна

патрола, со натпис „служба во заштита на околината“2. Таа фирма возилата со

мотори на внатрешно согорување ги преработува да работат на водород.

Британската фирма „Интелигентни дизајни“ прикажала моторцикл на батерии

и горивни ќелии кој е 10 пати поекономичен, кога ќе се спореди со класичните

мотори.

„Моторциклот има горивна ќелија од еден киловат, која работи на

компримиран водород, како и пет – киловатен акумулатор кој се дополнува во

текот на возењето. Достигнува брзина од 80 км/ч, а тоа е во споредба со

класичните мотори како да се движи 300 км со само еден литар гориво“3.

Компанијата „Интелегентна енергија“ веќе произведува горивни ќелии

во САД, Британија и Ј. Африка. Џефри Серфас, од здружението за промоција

на употребата на водородот верува дека возилата во иднина ќе бидат тивки,

удобни и интересни.

3. ЕНЕРГИЈА И ЕКОЛОГИЈА

3.1. LIBER PERPETUUM-ГОРИВНИ ЌЕЛИИ

Горивните ќелии ја генерираат енергијата по пат на процесот на

спротивна електролиза. Имено, во горивната ќелија со електрохемиски процес

од горивата богати со водород, обично од природен гас или метанол, се

издвојува водород, кој во комбинација со кислород произведува електрична

енергија и вода. Според тоа, наместо да согорува, со ефикасен

електрохемиски процес се претворва во електрична енергија. Горивните

ќелии имаат малку подвижни делови и произведуваат многу мала количина на

отпадни гасови или топлина. Од конструкционен аспект горивната ќелија се

состои од неколку клучни компоненти: аноди, на кои се доведува гориво,

катоди, на кои се доведува оксидациона супстанција (кислород),

полупростливи мембрани, катализатор и електролит кој овозможува проток на 2 http://www.voanews.com 3 http://www.voanews.com

8

јони од анодата на катодата, но не и електрони и реактанти. Хемиската

реакција која се одвива во горивната ќелија е еквивалентна на процесот на

согорување, но како реактаните просторно се разделуваат, протокот на

електрони кои спонтано тежат да се движат од горивото кон оксидациската

супстанција (кислородот) е сопрен и свртен кон надворешното коло.

Сл. Бр.2: Изглед на горивна ќелија

Основната разлика помеѓу горивните ќелии и батериите е во тоа што

ниту горивото ниту оксидациската супстанција не се интегрирани делови на

горивната ќелија, туку нивното снабдување се одвива по потреба и барање на

потрошувачите, додека отпадниот производ постојано се отстранува. На

горивото кое се доведува на анодата се наоѓа голема количина водород, а на

катодата се доведува кислород, па отпадниот производ е само чиста вода.

Бидејќи една горивна ќелија произведува напон од околу 1 V, за

добивање на поголеми напони ќелиите се врзуваат сериски, а топлината која

се ослободува во текот на процесот може да се користи за различни процеси,

што на горивните ќелии им дава можности за комбинирање со генератори на

струја и топлотна енергија во индустријата.

Како системи за согорување горивните ќелии можат да користат нафта,

природен гас, јаглен или метанол, со тоа што овие горива мора сопретходни

процеси да се доведат во соодветна хемиска состојба со збогатен водород.

Горивните ќелии исто така можат да користат водород добиен со електролиза

9

на вода со користење на помошни извори на електрична енергија, како што се

фотонапонските соларни системи или енергијата на ветерот.

4. САЕМ НА АВТОМОБИЛИ ВО ТОКИО

На саемот за автомобили кој кон крајот на 2005 година се случи во

Токио најголемо внимание привлекоа автомобилите кои не се штетни за

околината. Во присуство на неколку стотини новинари и сниматели,

прецедателот на компанијата Тојота Катсуаку Ватанабле (Katsuaku Vatanabe),

го прикажал најновото возило на најголемиот јапонски производитл – познат

како FAJN-EKS (Fine-X). Моделот има независна контрола на сите 4 тркала,

лесно се паркира во мал простор и има хибриден модел за погон кој се состои

од горивни ќелии и безнински мотор. Изложувачите на автомобили на саемот

настојуваат да докажат дека се придржуваат на еколошката револуција, така

што прикажале енергетски економични автомобили, како и возила кои

користат алтернативни извори на енергија. Тојота се наоѓа на чело, со својот

комерцијално јако успешен модел Пријус (Prijus), кој има хибриден електро –

бензински мотор. Рекордно високите цени на суровата нафта и се поголемата

загриженост поради ефектот кој автомобилските испарувања го имаат на

околината, и останатите производители на возила тргнуваат по патот на

Тојота.

10

Сл. Бр. 3: Неколку типови од марката на возила Тојота кои како погон користат горивни

ќелии и кои беа изложени на саемот на возила во Токио

Портпаролот на компанијата Субару (Subaru), Džun Imada, нагласува

дека напорите за производство на еколошки пријателски возила не се

засновани само на заработка, бидејќи развојните трошоци се многу високи а

нема гаранција дека пазарот ќе гу оправда.

„Горивните ќелии како систем мораат да ја преминат сериозната

технолошка препрека. Но кога зборуваме за предности по околината, ние авто

– компанииете мораме да работиме на нови технологии како што се горивните

ќелии, со што би ја заштитиле околината “4 – вели Džun Imada.

Хелмут Панке (Helmut Panke), претцедател на компанијата БМВ (BMW),

и понатаму е скептичен. Тој нагласува дека иако хибридните возила можат да

бидат поефикасни за градски сообраќај, горивните ќелии и возилата на струја

не претставуваат опасност за бензинските мотори.

Сепак, германските производители на луксузни автомобили не ги

игнорираат алтернативните системи. BMW се придружило кон компаниите

Damler-Krajsler и Dženeral Motors во настојување да произведат нова

технологија за хибридни возила за следните генерации.

4 http://www.voanews.com

11

5. ВОЗИЛА НА ГОРИВНИ ЌЕЛИИ

5.1. Сузуки на горивни ќелии

Сузуки, јапонски врвен производител на автомобили, планира во

соработка со Генералс моторс да го заврши производството на

комерцијалното возило на горивни ќелии (fuel cells). Но, Сузуки чија е една

петтина во сопственост на ГМ

соопштило дека целта е да се

совладаат сите технички

предизвици пред тоа да се започне

со вградување на горивни ќелии во

мини возила. Сеуште има многу

потешкотии што треба да се

отстранат и да се усоглсат со

производствените трошоци.

Сл. Бр. 4: Возило на водорот од марката Сузуки

„Точното време на комерцијализација и почетокот на сериско

производство ќе биде познато за некои четири до пет години“5 – изјавил

Хироши Тсуда, председател на Сузуки, на неодамна одржаниот саем на

автомобили во Токио. Генерал Моторс кој инвестира 21 милијарда долари во

развојот на горивни ќелии како погонска сила на возилата, сака да биде прв

производител на автомобили, кој ќе продаде милион возила на горивни ќелии.

За разлика од досегашните возила со класично гориво како погонска

снага конструкторите на горивни ќелии мораат да се грижат за тоа да се

постави голем резервоар со водород, а посебно тоа е предизвик кога се

работи за мали автомобили какви што произведува Сузуки, каде треба да се

задоволат и изгледот и цената кои треба да се прифатливи за купувачите.

5 http://www.netauto.co.yu

12

Веруваме дека пазарот сам ќе дојде кога ќе го направиме возилото

вели Лоренс Барнс подпреседател на Генерал Моторс.

5.2. Хонда на горивни ќелии

Јапонската Хонда лансирала нов модел на мал автомобил на горивни

ќелии која може да работи и на температура и под 0 степени целзиусови, што

беше проблем на досегашните слични модели. Автомобилот на горивни ќелии

практично не ја загадуваат околината затоа што работат на струја која се

добива кога водородот притиснат во резервоарот ќе дојде во допир со

кислородот во воздухот, оставајќи вода

како нус производ. Сите поголеми

светски производители на возила

развиваат автомобили што ги

придвижуваат горивни ќелии, но, имаат

проблем при ниски температури затоа

што водородот како гориво се

замрзнува.

Сл. Бр. 5: Возило на водород од марката Хорда

Хонда во новиот модел го решила тој проблем со користење на

метални делови така што снопот на горивни ќелии работи и на – 20 степени

целзиусови. Јапонската компанија исто така, го поедноставила снопот на

горивни ќелии така што е потребно половина помалку делови и ја намалила

тежината од 73 на 48 кг па уредот полесно се произведува. Новиот автомобил

опремен со два снопа на горивни ќелии работи тивко и изедначено како да

има бензински мотор и со полн резервоар може да помине 395 километри.

13

Слика 6: Изглед на возило од марката Хонда со погон на горивни келии

5.3. Hy Wire од General Motors

Очекувањата се сé поголеми, а светските енергетски и еколошки

проблеми се повеќе одат во прилог на развојот на автомобили каков што е Hy

Wire. General Motors веројатно најдалеку стигнал во развојот на погонот на

горивни ќелии, а интересно е и тоа што развојот на оваа технологија

започнала уште во шеесетите години на минатиот век. Неколку стотини

милиони долари вложиле американците во развојот на алтернативни погони,

а и во различни прототипи во последните пет години поминале стотина илјади

километри во најтешки услови на неколку континенти. Само со Hy Wire

поминале скоро десетина илјади километри, а новинарите во три недели

пробно возење на полигон за тестови поминале уште дополнителни две

илјади километри. Сето тоа е направено без некој дефект и без прекин. По

полигонот за тестирање се движеле два автомобила скоро нечујно и

наликувале на свемирскиот брод во Одисеја 2001. Кога се отвора возилото Hy

Wire личи на орман затоа што се отвараат двете врати слично како на старото

Фиќо. Седиштата се залепени за патосот и се имало впечаток дека се седи во

ловечкиот Месершмит од Втората светска војна чиј преден дел е од стакло

заради поголема прегледност. На новинарите упатствата им ги давал Марк

14

Каски директор на дизајнот на футуристичките автомобилои на GM кој им ја

објаснувал внатрешноста на автомобилот што е интересно за нас тоа возило

за погон користи горивни ќелии кој се сместени во дводелниот под на

возилото, а целата каросерија се прицврстува со десетина навртки на

шасијата. Оваа шасија дозволува да се ставаат повеќе типови на каросерија и

тоа за многу кратко време. Ова возило кое е целосно електрифицирано има

електрични сопирачки кои дејствуваат многу подобро од класичните,

хидроулични. Со електрична енергија возилото се снабдува од горивни ќелии.

Сл. Бр. 7: Изглед на внатрешноста на возилото Hy Wire од General Motors

Горивната ќелија во основа е едноставна. Главни нејзини делови се

мембраната, електродите и сепараторските плочи. Најскапи се материјалите

од флуориран полимер кој се користи за мембраните и платината која служи

како катализатор во електродите. Количината на платината е намалена на

еден грам по киловат снага со можност уште повеќе да се намали.

Надолжно во средината на шасијата сместени се три резервоари за

гориво со вкупна зафатнина од 150 литри, во кои се полни течен водород при

температура од – 252 степени целзиусови. Секој од нив има по две комори кои

не се поврзани со механичка, туку со магнетска врска. Заради непостоењето

на метален контакт на внатрешниот и надворешниот плашт топлинските

загуби се минимални, што е посебно важно заради големите температурни

разлики помеѓу водородот и околината. Најголемите проблеми во

автомобилот биле резервоарите кои од 100 километри автономија се

15

покачило на сегашни 300 километри. Иако многумина се плашат заради

експлозија како кај Спејс Шаталот, водородот е подполно безопасен под услов

да е обезбедебо неговото испарување во атмосферата.

Сл. Бр. 8: Пресек на прототип возилото Hy Wire

5.4. Автобус на горивни ќелии

Тојота Мотор Корпорацијата и Хиро Моторс ЛТД објавиле дека е

хомологизиран првиот автобус на горивни ќелии за јапонскиот јавен превоз.

Автобусот FCHV-BUS2 го движи чист водород кој е сместен под многу висок

притисок (350 атмосфери), во добро заштитени резервоари. Хибридниот

систем FCHV-BUS2 прецизно го регулира напојувањето на моторот со

електрична енергија, а секундарната батерија ја акомулира енергијата која се

регенерирала при сопирање.

Сл. Бр. 9: Автобус на горивни ќелии

16

Сл. бр. 10. Стандарден автобус за градски превоз од

марката Мерцедес тип Цитаро со погон на горивни ќелии

Слика 11: Пресек на автобус со погон на горивни келии

6. ГOРИВНИ ЌЕЛИИ СО ПОЛИМЕР ЕЛЕКТРОНСКА МЕМБРАНА (ПEM)

Горивни келии со полимер електролитска мембрана (ПEM) – исто така

наречени горивни келии со мембрана во протонска размена – даваат сила со

голема густина и нудат предности како што се ламата тежина и зафатнина,

споредено со другите горивни келии. ПEM горивните келии користат тврд

полимер како електролит и порозни карбонски електроди кои содржат

катализатор од платина. Нив им треба само хидроген (водород), кислород од

воздухот, и вода за да работат и немаат потреба од коризовни флуиди како

некои келии. Тие обично се полнат со чист водород наполент од резервоари и

вградени преработувачи.

17

Сл. Бр. 12: Горивни ќелии со полимер електронска мембрана

Горивни келии со полимер електролитска мембрана (ПEM) работат на

релативно ниски температури, околу 80о С. Работата при ниски температури

дозволува брзо за стартоваат (помало време на загревање) и резултираат со

помало абењена системските компоненти, резултирајќи со поголема трајност.

Како и да е, имаат потреба од катализатор од племенити метали (обично

платина) кој се користи за одвојување на водородните електрони и протони,

додавајќи трошок на системот. Планинстиот катализаторе многу чуствителен

на затрујување со СО, додавајќи неопходност за реактор за намалување на

СО во бензинот додколку водородот се добива од алкохол или

хидрокарбонско гориво. Производителите моментално истражуваат

катализатори од платин/рутениум кои се поиздржливи на СО.

ПEM горивните келии главно се користат за сообраќајни апликации и

некои стационарни апликации. Поради нивното брзо време на стартовање,

мала чуствителност кон поставеноста, и добриот одност сила – тежина, овие

келии се соодветни за употреба во патничките возила, како што сае

автомобилите и автобусите.

18

Слика 13: Поедноставно прикажување на плочите на ПЕМ горивни келии

6.1. Како работи системот на ПEM горивните келии

Постојат неколку типови на горивни келии, но токму овие келии се

користат кај автомобилите. Најчестата интеграција на горивни келии

комбинира келии со минимален батериски сет или стандардно UPS за да

овозможи поможна струја. Кога се загуби струјата од мрежата, батериите или

UPS го преземаат товарот. Горивната келија ја чуствува загубата на енергија

и се вклучува. После 60 секунди, горивната келија е вклучена и овозможува

струја способна да го претрпи оптоварувањето и да ги наполни батериите или

UPS. Кога ќе се врати струјата од мрежата, келијата се исклучува, чекајќи на

следното опаѓање на енергијата. Некои интеграции на келии вклучуваат

исправувачи и DC – DC конвертоври и повеќе горивни келии со цел да

овозможат повеќе непони и излези на струја.

19

Сл. бр. 14: Начин на работа на системот со горивни ќелии

Слика 15: Поедноставен дијаграм за објаснување на принципот на работа на ПЕМ горивните келии

Упростен дијаграм на принципот на работа на ПЕМ горивните келии (размена на водородно-кислородни протони) дадена е на сликата, и прикажана е основата на нивната работа, односно како работат тие.

20

Горивната келија се состои од негативни електроди (аноди), позитивни електроди (катоди) и електролит. Горивото (во овој случај водород) се транспортира низ анодата во анодниот електролит, каде следи реакцијата на оксидација:

H2(g) = 2H+ + 2e-

Ослободените електрони излегуваат надвор од анодата и низ надворешниот круг влегуваат во катодата. Позитивните јони на кислородот (H+) поминуваат низ електролитот, кон катодата, каде тие дирекно реагираат со кислородот:

2H+ + 1/2 02 (g) + 2e- = H20

Вкупната реакција на горивните келии е:

H2 + 1/2 02 = H20

6.2. Принцип на работење на горивните келии

Алтернативните енергетски системи на новата генерација концептуално се разликуваат од конвенционалните енергетски системи, а меѓу нив како најперспективни технологии од овие групи се издвојуваат горивните келии.

Горивните келии ја генераат енергијата по пат на процес на спротивна електролиза. Имено, во горивната келија со електрохемески процес од горивата богати со водород, обично природен гас или метанол, се издвојува водород, кој во комбинација со кислород произведуваат електрична енергија и вода. Според тоа, горивото наместо да согорува, по ефикасен електрохемиски процес се претворва во електрична енергија. Горивните келии имаат малку подвижни делови и произведуваат многу мала количина на отпадни гасови или топлина. Од конструктивен аспект горивната келија се состои од неколку клучни компоненти: анода, на која се доведува гориво, катода, на која се доведува оксидационен субстрат (кислород), полупропустлива мембрана, катализатор и електролит кој овозможува проток на јоните од анодата на катодата, но не и електрони и реактанти

Хемиската реакција која се одигрува во горивната келија еквивалентна е со процесот на согорување, но реакторите просторно се раздвојуваат, протокот на електрони кој спонтано тежи да се движат од доривото кон оксидационата супстанција (кислород) е запрен и завртен кон надворешниот круг.

21

Слика 16. Принцип на работа на горивните келии

7. СТАНИЦИ ЗА СНАБДУВАЊЕ СО ВОДОРОД

Станиците за снабдување со водород се уште не се застапени и се

уште претставуваат прототипи и се во тек на испитување. На пробните патеки

на возилата кои се тестираат, а кои се со погон на водород, на станиците за

снабдување со гориво се поставуваат и апарати за снабдување со водород.

На сликите е прикажан начинот на полнење на возилото со водород, односно

изгледот на апаратот за полнење со водород.

Слика 17: Начин на полнење на возилото со водород

22

Слика 18: Изглед на апаратот за полнење на возилата со водород

23

8. ЗАКЛУЧОК

Горивните ќелии се веќе стварност, како што е и користењето на

водородот во енергетски цели. Денеска горивните ќелии најчесто имаат ПЕМ.

Користејќи го водородот или метанолот како гориво, а произведувајќи

електрична енергија и вода како последица на физичко - хемискиот процес

тие се, речено идеален производител на зелена енергија. Со горивни ќелии е

можно уште денеска и тоа комерцијално да се напојуваат со електрична

енергија дистрибуирани потрошувачи (единици од 100 kW) а наскоро како

денеска стојат работите тоа ќе биде главен извор на енергија во

автомобилите на електричен погон. Автобуси на таков погон веќе одамна

крстарат по светските метрополи, а патнички автомобили на таков погон како

што е најавено посериозно ќе влезат во сообраќај во 2004 година (Мерцедес

Крајслер , Тојота Форд). Горивните ќелии ветуваат дека ќе бидат многу важен

енергетски извор не само во дистрибуираните потрошувачи. Степенот на

искористеност од преку 30% како и нивната цена многу се интересни во

комбинација со ПВ или ветерот за производство на водород или метанол

станат важен извор на електрична енергија не само кај дистрибуираните

потрошувачи, туку и во големи размери.

Горивните ќелии имаат четири основни предности: поголем број на

ќелии можат да се групираат во пакети со различни димензии. Иако можат да

се инсталираат заради скоро занемарувачкото влијание на природната

околина побаруваат минимални услови на одржување и можат да користат

различни горива кои лесно и брзо можат да се менуваат. Постојат и

секундарни предности, како што се струјно напонска реактивна контрола,

можност за брзо стартување на системот, работа која не побарува надзор и

друго.

Со примена на горивните ќелии во моторните возила се зголемува

корисната површина во возилото, затоа што ваквиот систем зафаќа многу

малку простор.

Денес горивните ќелии започнуваат се повеќе да се применуваат во

моторните возила, па така во оваа семинарска работа е прикажана нивната

24

примена во возилата Сузуки, Хонда, автобусите и во новиот протитп на

возилото HY WIRE.

25

РЕЗИМЕ

Првата горивна ќелија ја конструирал Вилијам Гроув (Wilijam Grouv)

уште во 40те години на IXX век.

Еколозите се сомничави и истакнуваат дека ваквите системи и

понатаму емитуваат јаглерод диоксид. Но, во Генарал моторс тврдат дека

нивото на издувните гасови е намалено за 50% во однос на моторите со

внатрешно согорување.

Степенот на искористување кај овој систем е 50% повеќе отколку кај

класичните мототри.

Во конгресниот центар Лонг Бич (Long Bič), во Калифорнија, неодамна

се прикажани нејновите водородни технологии – од водородни ќелии на авто

– гигантот Хонда до производите на малите компании.

Во горивната ќелија со електрохемиски процес од горивата богати со

водород, обично од природен гас или метанол, се издвојува водород, кој во

комбинација со кислород произведува електрична енергија и вода.

Возила кои започнале со воведување на системот на горивни ќелии се

Сузуки и Хонда, правени се експерименти во возилото Hy Wire.

Поголема употреба на ваквите системи се очекува да се појави на

пазарот до 2010 година.

26

КОРИСТЕНА ЛИТЕРАТУРА

1. Auto Moto Revija, Auto Club, Broj 422./23. prosinca 2002

2. www . esru.strath.ac.uk-EandE

3. www.voanews.com/serbian/linktous.cfm

4. www.netauto.co.yu.2006.htm

5. www.eere . energy . gov . hydrogenandfuelcells-fuelcells

6. www . fueleconomy . gov

7. www.mercedes-benz.co.uk

27