Tehnologije gorivnih celic

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6

1000 Ljubljana, Slovenija

telefon: 01 477 12 00

faks: 01 251 85 67

www.fs.uni-lj.si

e-mail: [email protected]

Katedra za energetsko strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Tehnologije gorivnih celic Laboratorijska vaja

Avtorji: Boštjan Jurjevčič

Mitja Mori

Boštjan Drobnič

Ljubljana, december 2012

Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Tehnologije gorivnih celic Stran: 2 od 24

1. CILJ VAJE

- Spoznati sestavo in vrste gorivnih celic.

- Spoznati princip delovanja polimerne gorivne celice.

- Določiti karakteristike delovanja in izkoristek polimerne gorivne celice

2. UVOD

Energija različnih oblikah, predvsem pa kot elektrika, toplota in mehansko delo, je v današnjem

svetu nujno potrebna za večino dejavnosti, ki jih vsakodnevno opravljamo, oziroma se vršijo okrog

nas. Primarni viri za proizvodnjo energije so zelo raznoliki, kljub temu pa iz diagrama na sliki 1

vidimo, da energija pridobljena iz fosilnih goriv, kot so nafta, premog in plin, predstavlja kar 85 %

celotne proizvodnje. Uran za jedrske elektrarne predstavlja 6 % od ostalih 15 % energentov za

proizvodnjo energije. Taka uporaba primarnih virov je dolgoročno vsekakor nevzdržna tako zaradi

neugodnih okoljskih vplivov kot tudi tudi dejstva, da se zaloge fosilnih goriv in urana stalno

zmanjšujejo.

Slika 1: Poraba energentov za pokrivanje svetovnih potreb po energiji

Alternativa za fosilna goriva in uran so obnovljivi viri energije, pri izkoriščanju katerih so

pomembne tudi vodikove tehnologije, med njimi tudi gorivne celice.

Čeprav danes večino električne energije pridobimo posredno preko toplote, pa so začetki

proizvodnje električne energije temeljili na naposredni pretvorbi kemične energije v električno

(baterija). Podobna neposredna pretvorba poteka tudi v gorivnih celicah, ki pa v nasprotju z



baterijami ob stalnem dovodu svežega goriva omogočajo neprekinjeno oskrbo z električno energijo.

Prvo gorivno celico, ki je obratovala na vodik in kisik, je že l. 1839 izdelal Sir William Grove1.

Potem, ko je Werner von Siemens2 izpopolnil pretvorbo rotacije v električno energijo, so bile

postavljene prve elektrarne. Kaj hitro je elektro-kemičen princip postal nedonosen in zastarel. Le

baterije so se obdržale do danes in kljub temu, da so bile vseskozi podvržene nenehnemu razvoju, se

osnovni princip delovanja ni spremenil približno 100 let.

V današnjem času dve tretjini električne energije proizvedejo termoelektrarne3, ki pa imajo zelo

nizek izkoristek in pomenijo veliko breme za okolje. Kemična energija, ki je vezana v fosilnih

gorivih, je najprej pretvorjena v toploto, nato v mehansko energijo in na koncu še v električno

energijo, kar pa neobhodno pomeni velike izgube. Samo okoli tretjina kemično vezane energije v

fosilnih gorivih je izkoriščena pri končnih porabnikih v obliki električne energije. Izgube, med

katerimi zaseda največji delež toplota, so redko dodatno izkoriščene in so ponavadi izpuščene v

okolico skozi hladilne stolpe ali hladilne sisteme, ki uporabljajo rečno vodo. Tudi emisije dimnih

plinov (CO2, SO2, CO, NOx) ne morejo biti popolnoma odpravljene in so v najboljšem primeru,

razen CO2, zmanjšane s pomočjo čistilnih naprav.

V 1950 letih je bil princip delovanja gorivne celice ponovno odkrit in razvoj je stekel naprej

predvsem v vesoljski in letalski tehniki. Danes je kar nekaj tipov gorivnih celic izpopolnjenih do te

mere, da so uporabne tako za pogon vozil, kot tudi za proizvodnjo večje količine električne energije

v obliki manjših energetskih postrojenj. Na Japonskem in pa v Ameriki je v pogonu 50 MW

postrojenje, ki temelji na gorivnih celicah. Ta energetska postrojenja imajo izrazito manjše emisije

škodljivih snovi ob precej višjem izkoristku (preko 50 %) v primerjavi s klasičnimi

termoelektrarnami.

Gorivna celica, ki deluje na vodik in kisik, ima pomembno vlogo tudi v tehnologiji za pridobivanje

vodika. Vodik in kisik lahko pridobivamo v elementarni obliki brez dodatnega onesnaževanja

okolja s pomočjo elektrolize vode. Energijo za elektrolizo pa pridobivamo s pomočjo sončne

energije preko sončnih celic. Vodik, kot najbolj univerzalno in čisto gorivo, lahko uporabljamo tudi

kot gorivo za ogrevanje ali pogon motornih vozil. Stranski produkt zgorevanja vodika pa je, kot pri

gorivnih celicah, voda. Množična proizvodnja sončnih celic in gorivnih celic lahko v prihodnosti

poceni proizvodnjo vodika in kisika in jo s tem naredi bolj konkurenčno glede na konvencionalne

vire energije. H2/O2 gorivna celica je bila že leta 1994 uspešno preizkušena tudi kot energetski vir v

električnem vozilu (NECAR - New Electric Car) podjetja Daimler Benz4.

1 http://en.wikipedia.org/wiki/William_Robert_Grove 2 http://en.wikipedia.org/wiki/Werner_von_Siemens 3 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Annual_electricity_net_generation_in_the_world.svg 4 http://www.hybrid-autos.info/Wasserstoff-Fahrzeuge/Mercedes/necar1-1994.html



3. TEORETIČNE OSNOVE

3.1. Vodik

Vodik je najlažji in hkrati tudi najbolj razširjen kemični element v vesolju, vsebuje ga voda, vse

organske spojine in živi organizmi. Pri standardnih pogojih je enovalentni nekovinski močno

vnetljiv plin brez barve in brez vonja. Vodikov najbolj razširjen izotop sestavljata le proton in

elektron brez nevtronov. V naravi najdemo še dva izotopa devterij 2H in tritij 3H, ki imata poleg

protona in elektrona še po en oziroma dva nevtrona. Poznamo tudi druge izotope, ki so bili umetno

narejeni in jih v naravi ne najdemo.

Pri standardni temperaturi in tlaku vodik tvori dvoatomni plin H2 s točko vrelišča pri samo 20,27 K

in tališča pri 14,02 K. Zgornja kurilnost znaša 12745 kJ/m3, spodnja kurilnost pa 10800 kJ/m3.

3.2. Elektroliza

Vodik in kisik sta plina ki nastaneta pri elektrolizi vode. To je elektrokemičen proces, pri katerem

na katodi in anodi potekata oksidacija in redukcija kemijskih spojin ob prisotnosti enosmerne

električne napetosti. Elektroliza začne potekati, ko je na elektrodah dosežena določena mejna

razcepna napetost, ki je značilna za posamezno spojino. Tipi elektrolize se ločijo glede lastnosti

elektrod in elektrolitov.

3.2.1. Elektrolizer

Elektrolizer je v osnovi dokaj preprosta naprava za elektrolizo vode. Osnovni sestavni del je

protonsko prepustna polimerna membrana, ki je na obeh straneh prevlečena s katalizatorjem. Ti dve

prevleki predstavljata anodo in katodo elektrolizerja.

Kadar je enosmerna napetost na elektrodah večja od mejne razcepne napetosti vode, začne voda

razpadati na kisik in vodik. Teoretična mejna razcepna napetost vode je 1,23 V. V praksi je zaradi

prehodne upornosti malce višja.

Močnejši elektorlizerji imajo posamezne elektrolitske celice vezane v bloke, s čimer lahko

povečamo napetost in posledično tudi moč in zmogljivost naprave. PEM elektrolizerji imajo

izkoristek do 85 %.

3.2.2. Delovanje elektrolizerja

Napetost na elektrodah elektrolizerja povzroči razpad vode na anodi v kisik, vodikove protone in

proste elektrone. Medtem ko se kisik zbira na anodi, protoni vodika prehajajo skozi protonsko

prepustno membrano na katodo, kjer nastaja dvoatomni vodik.

OKSIDACIJA na ANODI 2 H2O → 4 H+ + 4 e- +O2 REDUKCIJA na KATODI 4 H+ + 4 e- → 2 H2

SKUPNO 2 H2O → 2 H2 + O2



PEM elektrolizerji imajo ime po polimerni elektrolitski membrani (Polymer-Electrolyte-

Membrane). PEM je sestavljena iz teflonu podobnega polimera, kamor so dodane različne sulfonske

kisline. Ko se membrana navlaži, sulfonske kisline disociirajo in membrana postane kisla. Zaradi

tega postane membrana propustna za vodikove protone oz H+ katione, še vedno pa ostane

neprepustna za anione.

3.3. Delovanje gorivnih celic

Gorivna celica je galvanski element, v katerem je kemična energija goriva (vodik, metanol,

ogljikovodiki in tudi kovine kot aluminij in cink) neposredno podvržena elektro-kemični pretvorbi v

električno energijo, brez predhodne pretvorbe v toplotno energijo, kot je to v primeru

termoenergetskih postrojenj in motorjev z notranjim zgorevanjem. Shematski prikaz lahko vidimo

na sliki 2.

kemična pretvorba

MOTOR Z NOTRANJIM

ZGOREVANJEM

GORIVO

Toplotna energija

Mehanska energija

mehanska pretvorba

električna pretvorba

Električna energija

elektro-kemična pretvorba

GORIVNA CELICA

GORIVO

Električna energija

Slika 2: Primerjava pretvorbe energije pri motorju z notranjim zgorevanjem in gorivni celici

Moderna gorivna celica je sestavljena iz treh delov, kakor kaže slika 3. Sestavljajo jo električno

prevodna in prepustna anoda in katoda ter elektrolit, ki prepušča le točno določene ione. Elektroni

in drugi nezaželeni ioni, ki bi jih elektrolit prevajal, bi zavirali delovanje gorivne celice. Vodik

oziroma z vodikom bogato gorivo se vseskozi dovaja na anodo (negativni pol), kjer reagira tako, da

odda elektrone (oksidacija). Elektroni nato tečejo po zunanjem tokokrogu proti katodi (pozitivni

pol), kjer doveden kisik veže elektrone (redukcija). Tako se med anodo in katodo vzpostavi

enosmerna električna napetost, ki jo lahko koristno uporabimo. Medtem ko so nosilci elektrine v

zunanjem tokokrogu elektroni, pa so nosilci elektrine v elektrolitu ioni. Glede na tip gorivne celice

so lahko anioni ali kationi. Tako potujejo kationi skozi elektrolit na katodo, anioni na anodo.



Elektrolit prepušča le točno določene ione in ločuje gorivo od kisika, da ne pride do nekontrolirane

reakcije. Ioni potujejo zaradi razlike koncentracij, ki se vzpostavi znotraj elektrolita.

Da lahko plin nemoteno dostopa do elektrod, so le te narejene iz poroznega materiala, na njih je

nanešen katalizator, ki pospešuje elektro-kemično reakcijo. Elektro-kemična reakcija se zgodi na

meji med plinom, elektrolitom in elektrodo s pomočjo delovanja katalizatorja, torej na površini

elektrode, kjer vse tri faze pridejo v stik. S tem se sprosti zelo majhna količina električnega toka

oziroma napetosti. Da bi dobili višjo napetost, moramo povezati večjo količino gorivnih celic v tako

imenovan blok, v katerem se posamezne napetosti seštevajo. Posamezne gorivne celice so povezane

v blok preko bipolarnih plošč.

prehajanje

ionov kisik ali

zrak

voda inizpušni plini

gorivo

izpušni plini

anoda elektrolit katoda

elektroni

Slika 3: Splošna zgradba gorivne celice

Pri gorivnih celicah se le manjši delež energije goriva pretvori v toplotno energijo (cca. 20 %).

Enako kot baterija ali akumulator proizvaja gorivna celica električno energijo s to razliko, da so

elektrokemične reakcije samo katalitične in zato se njene elektrode po kemični sestavi ne

spreminjajo.

3.4. Prednosti gorivnih celic

Glede na toplotne stroje imajo gorivne celice kar nekaj prednosti. Tako imajo višji izkoristek in

zaradi elektro-kemičnega procesa za njih ne velja omejitev Carnotovega procesa oziroma drugega

glavnega zakona termodinamike (toplote se ne da v celoti pretvoriti v višje vredno električno

energijo), kar imamo prikazano tudi na sliki 4.



100

20

40

60

80

0 200 400 600 800 1000

Izkoristek

/

%

η

Temperatura / °C

Teoreti ni izkoristek H /O - gorivne celice

č

22

C

arnot

Slika 4: Primerjava izkoristka Carnotovega krožnega procesa in izkoristka gorivne celice.

Moderna plinska in parna turbinska postrojenja dosegajo celotne izkoristke največ okoli 58 %,

medtem ko ima gorivna celica izkoristek okoli 65 %. Pri gorivni celici je izkoristek omejen s strani

notranjih uporov, prenapetosti in popolne izrabe goriva. Tako ni presenetljivo, da imajo najvišji

izkoristek gorivne celice do velikosti 100 kW.

60

70

50

40

10

20

30

0

10 102

103

104

105

106

Elektrini izkoristek

/

%

čη

Mo / kWč

PEMFC (H )2

PEMFC

SCFC / MCFC

PAFC

Plinski motor Plinska turbina

SCFC / MCFC + Kombinirano

Kombinirano postrojenje

Parno postrojenje

Slika 5: Primerjava izkoristkov posameznih gorivnih celic in ostalih tehnik proizvodnje električne energije.



Tudi emisije škodljivih snovi v okolico so v primeru gorivnih celic znatno manjše od emisij pri

motorjih z notranjim zgorevanjem. Pri reakciji vodika in kisika je stranski produkt le vodna para.

Čeprav pravimo, da je vodik kot gorivo s stališča emisij čisto gorivo, pa vendar ne smemo pozabiti,

da vodik ni primarni vir energije in ga je potrebno pridobiti z uporabo drugih virov, ki tudi vodik

posredno obremenijo s svojimi vplivi na okolje.

Dodatne prednosti uporabe gorivnih celic v primerjavi s konvencionalnimi tehnologijami

proizvodnje električne energije so nizka stopnja hrupa, gorivna celica ne potrebuje gibljivih delov

za proizvodnjo električne energije, s povezovanjem posameznih gorivnih celic v blok lahko deluje v

različnih napetostnih območjih. Na sliki 5 najdemo diagram odvisnosti električnega izkoristka v

odvisnosti od moči za različne procese.

3.5. Slabosti gorivnih celic

Tehnologija izdelave gorivnih celic pred množično proizvodnjo in uporaba potrebuje še dosti

optimiranja in odpravljanja pomanjkljivosti. Izkoristek ni omejen samo s prenapetostjo, ampak tudi

z neenakomerno porazdelitvijo plina, nihanjem temperature in nečistočami reformerja (plina). S

časom se prav tako poslabšajo katalitični procesi in s tem izkoristek. Dodaten razvoj in optimizacijo

zahteva tudi periferija gorivne celice, kot so priprava goriva, upravljanje s plinom in toploto ter tudi

električni del gorivne celice.

Gorivne celice delujejo s pomočjo katalizatorjev, ki pa so zelo občutljivi na nečistoče. Tako so zelo

občutljive na žveplene in klorove spojine, ki morajo biti nižje od 1ppm pred vstopom v gorivno

celico. Nizko-temperaturne celice so še posebej občutljive na nečistoče, kar znatno podraži pripravo

goriva.

Dragi materiali, kot npr. platina, ki se uporablja kot katalizator pri nekaterih nizko-temperaturnih

gorivnih celicah, kot tudi vsi temperaturno in korozijsko odporni materiali pri visoko-temperaturnih

celicah zelo podražijo proizvodnjo gorivnih celic. Z uporabo novih materialov in masovno

proizvodnjo, ter s poenostavitvijo proivodnih postopkov bodo stroški proizvodnje nekoliko manjši.

3.6. Tipi gorivnih celic

Do sedaj se je uveljavilo pet tipov gorivnih celic. Med seboj se razlikujejo po vrsti elektrolita,

uporabi različnih materialov in delovnih temperaturah. Slednje deli gorivne celice na visoko- in

nizko-temperaturne gorivne celice. Nizko-temperaturne imajo delovno temperaturo med 60 in

200 °C, visoko-temperaturne pa med 600 in 1000 °C. Poimenovanje gorivnih celic je odvisno od

uporabljenega elektrolita. Preglednica na sliki 6 prikazuje pregled najpogosteje uporabljenih

gorivnih celic, ki so:



- AFC (Alkaline Fuel Cell): alkalne gorivne celice

- PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell): polimerne gorivne celice

- DMFC (Direct Methanol Fuel Cell): polimerne gorivne celice

- PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): fosforno-kislinske gorivne celice

- MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): karbonatne gorivne celice

- SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): keramične gorivne celice

GORIVNACELICA

AFCalkalna gorivnacelica

PEMFCpolimerna gorivnacelica

DMFCgorivna celicaz metanolom

PAFC

gorivna celicafosforno-kislinska

MCFCkarbonatna gorivnacelica

SOFCkeramična gorivnacelica

Elektrolit(transportirani ioni)

kalijev lug(OH)

-

polimernamembrana(H )

+

fosfornakislina(H )

+

alkalijevkarbonat(Li CO , K CO )2 3 2 3

keramika (Zr(Y)O O )2,

2-

polimernamembrana(H )

+

Gorivo

čisti vodik

vodik

metanol

zemeljski plin

a

a, b

metanol

vodik

zemeljski plina, b

vodik

uplinjeni premog

zemeljski plin

c

b, c

vodik

uplinjeni premog

zemeljski plin

bioplin

c

b, c

b, c

Delovnatemperatura

60 - 100 °C

60 - 100 °C

90 20 °C - 1

160 220 °C -

600 650 °C -

900 1000 °C -

Inštalirana moč /Uporaba

cca. 10 kW / vesoljski poleticca. 100 kW / podmornice

0,01-1 kW / električna oskrba20-250 kW / vozila3 - 10 kW / oskrba hiš

majhne napravemotorna vozila

majhne naprave in vozila50 - 200 kWmajhne elektrarne50 - 11000 kW

25 - 2000 kWmajhne elektrarnevelike elektrarne

1 - 5 kW oskrba hiš5 - 100 kW majhne elekrarne velike elektrarne

a vodik se pridobiva s pomočjo rafiniranja iz metanol ali zemeljskega plina.b zemeljski plin mora biti predhodno razžvelen, vrednost morajo biti pod 1ppm.c možno je rafiniranje znotraj gorivne celice.

Slika 6: Prikaz značilnosti gorivnih celic

3.7. PEMFC: POLIMERNE GORIVNE CELICE

Polimerne gorivne celice so poleg fosforno-kislinskih in alkalnih najpogosteje uporabljene gorivne

celice. Zasedajo zelo široko področje uporabe in jih uporabljajo tudi v vesoljski tehnologiji.

Delovna temperatura je okoli 100 °C in sodijo med nizko-temperaturne gorivne celice, njeno

delovanje pa je shematično predstavljeno na sliki 7.

Srce teh gorivnih celic je Naftion®-folija, ki služi kot ionski prevodnik, ki prepušča samo katione

vodika. Membrana je na vsaki strani obdana z membrano iz platine in ogljika. Ogljik omogoča

prevod električnega toka in poleg tega prepušča plin in odpadno vodo. Tako omogoča vodiku in

kisiku, kljub tvorbi vode, nemoten dostop do elektrod.



OKSIDACIJA 2 H2 → 4 H+ + 4 e- ANODA

REDUKCIJA O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O KATODA

SKUPNO 2 H2 + O2 → 2 H2O

O2

H2O

H2

H2O2

H+

Anoda Elektrolit Katoda

Gorivo

Oksidacijski plin

Slika 7: Shema delovanja polimerne gorivne celice.

Procesi na sami membrani so zelo kompleksni in še ne popolnoma detajlno pojasnjeni. Proces na

sami anodi lahko razdelimo na naslednje stopnje:

1. Transport molekul vodika do elektrode (anode) in adsorpcija na površini elektrode (en. 1). H2 → H2(ads) (1) 2. Cepitev molekul vodika na katalizatorju in hidratacija vodikovih atomov (en. 2). H2(ads) → H2(ads/hidrat) (2) 3. Ionizacija vodika, ki pri tem odda elektrona. Elektrona nato potujeta po zunanjem tokokrogu

proti katodi (en. 3). H2(ads/hidrat) → H+

(ads/hidrat) + 2e- (3) 4. Desorpcija kationov vodika in difuzija le teh skozi elektrolit do katode (en. 4). H+

(ads/hidrat) → H+(hidrat) (4)



5. Kationi vodika potujejo skozi Naftion®-folijo. Na meji med katodo, elektrolitom in prostorom, kjer se nahaja plin reagirata dva kationa vodika z molekulo kisika in dvema elektronoma v vodikov peroksid (en. 5).

O2 + 2H+ + 2e- → H2O2 (5) 6. Vodikov peroksid reagira nadalje z dvema vodikovima kationoma in dvema elektronoma v

vodo (en. 6). H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (6) Polimerna gorivna celica je neobčutljiva na ogljikov dioksid. Ogljikov monoksid, ki nastaja pri

rafiniranju, pa zmanjšuje sposobnost delovanja gorivne celice z absorpcijo na katalizator, zato mora

biti gorivo očiščeno in vsebnost ogljikovega monoksida ne sme presegati vrednosti 100 ppm.

Glavni cilj pri nadaljnjem razvoju je narediti polimerno gorivno celico, ki bo neobčutljiva na

ogljikov monoksid.

3.7.1. Uporaba polimernih gorivnih celic

Ko gre za uporabo gorivnih celic za pogon vozil, je uporaba polimernih gorivnih celic na prvem

mestu. Polimerne gorivne celice imajo dobre lastnosti in omogočajo hitro vožnjo, hiter start in se

dobro obnašajo pri spreminjanju obremenitve. Polimerne gorivne celice imajo tudi pri mestni vožnji

visok izkoristek (pogon/gorivo) in sicer 35 %, medtem ko ima klasični motor z notranjim

zgorevanjem le 15 % izkoristek. Prav tako ima gorivna celica zaradi nizke obratovalne temperature

nizko stopnjo emisij v okolico. Kot gorivo lahko v vozilih uporabljamo tekoče gorivo kot metanol,

kar je s stališča polnjenja rezervoarja ugodno, medtem ko je uporaba čistega vodika s stališča

polnjenja rezervoarja še v fazi razvoja. Prav tako je možna uporaba zemeljskega plina, metana ali

bencina. Trenutno je v prometu že kar nekaj osebnih vozil in avtobusov s pogonom na gorivne

celice. Prvi prototip (NECAR - New Electric Car) je bil na cesto postavljen že leta 1994.

Elektromotor v modelu NECAR V dosega moči že okoli 70 kW in najvišjo hitrost 140,5 km/h.

Slika 8: Sistem polnjenja rezervoarja avtomobila.



Polimerne gorivne celice so bile razvite tudi za uporabo v mobilnih telefonih, prenosnih

računalnikih in kamerah. Še eno področje, kjer je gorivna celica zelo uporabna je soproizvodnja

električnega toka in toplote za eno- in več-družinske hiše. Tako so na tržišču že enote z

zmogljivostjo do 250 kWe. Gorivne celice se uporabljajo tudi v veseoljski tehnologiji, kjer za razne

satelite oziroma postaje uporabljajo gorivne celice, ki porabljajo presežek sončne energije na

sončnih celicah za proizvodnjo električne energije.

Slika 9: Uporaba polimerne gorivne celice za pogon prenosnega računalnika.

Slika 10: Skica enote za soproizvodnjo električne energije in toplote.



4. OPIS EKSPERIMENTALNIH KOMPONENT

4.1. Napajalna enota

Napajalna enota (slika 12) nam predstavlja vir električne energije, ki je sestavljen iz ohišja, dveh

AA baterij, stikala in povezovalnih žic. Napajalna enota nam daje enosmerno napetost 4,5 V in

napajalni tok 0,8 A.

Namesto napajalne enote na baterije bi lahko uporabili tudi sončni modul za napetostjo 2 V ter

električnim tokom 600 mA. Na ta način bi pridobivali električno energijo za delovanje

elektrolizerja.

Slika 12: Napajalna enota

4.2. Elektrolizer

Elektrolizer (slika 13) iz vode proizvaja vodik H2 in kisik O2 v razmerju 2:1 in sicer 5 cm3/min

vodika in 2,5 cm3/min kisika. Moč elektrolizerja je 1,16 W.

Slika 13: Elektrolizer



4.3. Rezervoar

Rezervoar (slika 14) lahko uporabimo za shranjevanje vodika, kisika ali vode. Poleg vodika ali

kisika je v rezervoarju prisotna tudi voda, iz katere pridobivamo posamezen plin, hkrati pa je tudi

tesnilo rezervoarja. Prostornina za hranjenje vodika ali kisik znaša 30 cm3.

Slika 14: Črpalka za dobavo zraka.

4.4. PEM Gorivna celica

Gorivna celica (slika 15) iz vodika in kisika proizvaja električno energijo ter vodo, kot stranski

produkt. Če gorivni celici dovajamo kisik ima nazivno moč 300 mW. Če mora gorivna celica kisik

pridobivati iz okoliškega zraka pa ima nazivno moč 100 mW.

Slika 15: PEM gorivna celica



4.5. Porabnik električne energije

Kot električno obremenitev gorivne celice lahko uporabimo elektromotor z močjo 150 mW, ki je

vgrajen v vozilo ali pa propeler z močjo 10 mW.

4.6. Spremenljivi upor

S uporabo spremenljivega upora, kot je prikazan na sliki 16, lahko poljubno nastavljamo upornost

od 0 do ∞ Ω. Za vsako nastavljeno vrednost upora v sistemu, moramo izmeriti električni tok in

električno napetost. Tukaj ne moremo uporabiti Ohmovega zakona, kjer bi poleg nastavljenega

upora lahko merili le napetost ali tok. Električni tok in električna napetost pri gorivni celici in

elektrolizerju nista linearno odvisna.

Slika 16: Spremenljivi upor

5. MERITVE IN IZRAČUNI

5.1. Krakteristika elektrolizerja

Za določitev karakteristične krivulje elektrolizerja potrebujemo poleg napajalne enote in

elektrolizrja še spremenljivi upor, merilnik električnega toka in merilnik električne napetosti, kakor

je prikazano na sliki 17.

Slika 17: merilna shema za določitev karakteristike elektrolizerja



Spremenljivi upor nastavljamo od 0 do ∞ Ω in za vsako nastavitev izmerimo vrednosti za električni

tok in električno napetost. Karakteristika elektrolizerja je prikazana na sliki 18.

U / V

I / A

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Slika 18: Karakteristika elektrolizerja

Iz poteka krivulje lahko vidimo, da tok ne začne teči preden je dosežena neka mejna napetost,

Umejna. Dejanska mejna napetost je še nekoliko nižja in jo lahko določimo iz diagrama (slika 18)

tako, da poiščemo presečišče strmejše premice z absciso.

5.2. Energijski in Faradayev izkoristek elektorlizerja

Energijski izkoristek je definiran kot razmerje med energijo, ki jo imamo na razpolago v obliki

vodika (WH2, njegova zgornja kurilna vrednost pomnožena z volumnom proizvedenega vodika) in

energijo (Wel), ki smo jo vložili v elektrolitski reaktor (en. 7).

tIU

HV

W

W S

elre

⋅⋅

⋅==

H2,H2H2,η , (7)

kjer so:

VH2 - volumen vodika proizveden med eksperimentom (m3),

HS,H2 - zgornja kurilna vrednost vodika (12,745⋅106 J/m3),

U -povprečna električna napetost med eksperimentom (V),

I - povprečen električni tok med eksperimentom (A) in

t - čas za proizvodnjo VH2 vodika (s).



Faradayev prvi zakon elektrolize opisuje razmerje med jakostjo toka in proizvedenim volumnom

plina. To izhaja iz dejstva, da en atom vodika vsebuje en elektron, ki je pred elektrolizo bil v obliki

električnega toka. Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja je potemtakem razmerje med

proizvedenim volumnom vodika (VH2) z volumnom vodika, ki ga izračunamo glede na dovedeni

električni tok v elektrolitski reaktor (VH2,izr)

izr

rFV

V

,H2

H2, =η (8)

Volumen vodika, ki ga izračunamo glede na vložen električni tok, je po Faradayevem prvem

zakonu elektrolize lahko zapisan z enačbo 9.

zpF

tTIRV izr

⋅⋅

⋅⋅⋅=,H2 , (9)

kjer so

R - splošna plinska konstanta (8,314 J/molK),

I - povprečen električni tok [A],

T - temeratura okolice [K],

F - Faradayeva konstanta (96485 C/mol, 1 C = 1 As),

p - tlak okolice[Pa],

t - čas [s] in

z - število elektronov, ki se sprostijo na molekulo plina (voda: z(H2) = 2, z(O2) = 4).

Za določevanje energijskega in Faradayevega izkoristka potrebujemo poleg napajalne enote in

elektrolizerja še voltmeter in ampermeter, kakor je prikazano nsliki 19.

Slika 19: Shema merilne verige za določitev izkoristkov elektrolizerja



5.3. Karakteristika PEM gorivne celice

Določiti želimo karakteristike gorivne celice. Najprej odklopimo breme od gorivne celice in nanj

priključimo spremenljivi upor. V sistem vključimo tudi vzporedno vezan voltmeter in zaporedno

vezan ampermeter, kjer spremljamo električno napetost in električni tok. Na ta način ustvarimo

shemo, kot jo vidimo na sliki 20.

Slika 20: Shema meritve karakteristike gorivne celice

Električno moč izračunamo kot produkt vrednosti električne napetosti in električnega toka, kakor

kaže enačba 10.

elelel IUP ⋅= , (10)

kjer so:

Pel - električna moč [W]

Uel - električna napetost [V]

Iel - električni tok [A].



I / A

U / V

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 0.5 1 21.5

Slika 21: Diagram odvisnosti električne napetosti od električnega toka

I / A

P /

W

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 0.5 1 21.5

Slika 22: Diagram odvisnosti električne moči od električnega toka

Iz krivulje moči lahko določimo električni tok, pri katerem daje gorivna celica največjo električno

moč. Določimo lahko tudi upornost bremena, pri katerem dosežemo z gorivno celico največjo moč.

Narišemo lahko tudi diagram odvisnosti porabe vodika v odvisnosti od časa, kot kaže slika 23.



100 200 300 400 500 600 700

t / s

VH2 /

cm

3

0

2

4

6

8

10

12

0

Slika 23: Diagram odvisnosti porabe vodika od časa

5.4. Energijski in Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice

Energijski izkoristek polimerne gorivne celice je definiran kot razmerje med vloženo energijo

(energija shranjena v obliki vodika) in dobljeno električno energijo.

H2,H2

,ivodik

elekticnage

HV

tIU

W

W

⋅

⋅⋅==η , (11)

kjer so:

U - povprečna električna napetost med eksperimentom [V],

I - povprečen električni tok med eksperimentom [A],

t - čas, potreben za porabo določene količine vodika [s],

VH2 - volumen vodika, porabljen med eksperimentom [m3] in

Hi,H2 - spodnja kurilna vrednost vodika (10,8·106 J/m3).

En. 11 nam podaja dejanski energijski izkoristek polimerne gorivne celice. Poleg električne energije

je produkt znotraj gorivne celice tudi toplota. Toplota, če ni koristno uporabljena, je vedno

obravnavana kot izguba. Tako lahko v primeru koristne porabe toplote definiramo tudi idealni

izkoristek gorivne celice (en. 12).

H

Gidge

∆

∆=,,η , (12)

kjer sta:

∆G - prosta reakcijska entalpija in

∆H - reakcijska entalpija.



Razlika med njima je v sproščeni toploti Q = T · ∆S znotraj gorivne celice (en. 13).

STGH ∆∆∆ ⋅+= , (13)

kjer so:

T - temperatura okolice (K),

∆S - reakcijska entropija vodika (–162.985 J/Kmol) in

∆H - reakcijska entalpija vodika (–285840 J/mol).

H

ST

H

STH

H

Gidge

∆

∆

∆

∆∆

∆

∆ ⋅−=

⋅−== 1,,η (14)

Dodatne izgube so še posledica toplote zaradi izgub napetosti, prenapetosti, notranjih uporov in

difuzijskih izgub plina. Dosežena vrednost napetosti nikoli ni enaka vrednosti 1,23 V, ki je mejna

napetost in bi jo morali dobiti iz polimerne gorivne celice. Ta napetost je enaka mejni napetosti, ki

je potrebna v elektrolitskemu reaktorju, da začne potekati elektroliza.

Enako kot v primeru elektrolitskega reaktorja je tudi v polimerni gorivni celici energijski izkoristek

močno odvisen od moči porabnika. Če ima porabnik velik notranji upor, polimerna gorivna celica

obratuje le pri delni obremenitvi, kljub dejstvu da ima gorivna celica lahko visok izkoristek. Moč,

dobljena iz gorivne celice, je potemtakem manjša kot bi lahko bila pri ustreznem porabniku.

Faradayev prvi zakon elektrolize opisuje razmerje med jakostjo električnega toka in proizvedenim

volumnom plina. To izhaja iz dejstva, da en atom vodika vsebuje en elektron, ki se po reakciji

znotraj gorivne celice sprosti in ga imamo na voljo v obliki električnega toka. Faradayev izkoristek

polimerne gorivne celice (en. 15) je potemtakem razmerje med izračunanim volumnom vodika

(VH2,izr) za določeno električno moč in porabljenim volumnom vodika (VH2).

H2

,H2,

V

V izrgF =η (15)

Izračunani volumen vodika določimo glede na proizveden električni tok po Faradayevem prvem

zakonu elektrolize (en. 9).

6. IZVEDBA APLIKACIJE

Na sliki 24 je prikazana ena od možnih aplikacij. Sestavljena je iz polnilne postaje in vozila.

Polnilna postaja sestoji iz napajalne enote (1), elektrolizerja (2) in rezervoarja (3), kjer sta shranjena

tako voda, kot tudi vodik. Vozilo sestavlja osnovno podvozje, na katerem je rezervoar z vodo ter

vodikom (5) in gorivna celica (6). Na vozilu (7) je vgrajen elektromotor in vse skupaj predstavlja

porabnika električne energije. Med gorivno celico in rezervoarjem ter med elektrolizerjem in

rezervoarjem so speljane povezovalne cevke (4). Med napajalno enoto in elektrolizerjem ter med

gorivno celico in elektromotorjem potrebujemo povezovalne žice (8).



Slika 24: Eksperimentalna enota za demonstracijo uporabe gorivnih celic.

6.1. Postavitev polnilne postaje

Na eksperimentalno ploščo postavimo elektrolizer in shranjevalni rezervoar. Z dvema kratkima

cevkama povežemo priključka na vodikovi strani elektrolizerja s priključki na shranjevalnem

rezervoarju. Na drugo stran shranjevalnega rezervovarja (stran gorivne celice) pritrdimo daljšo

cevko in jo zapremo s tesnilno sponko. V shranjevalni rezervoar nalijemo destilirano vodo do

spodnje označevalne črte. Odpremo tesnilno sponko, da odzračimo sistem. Ko je proces končan

sponko zopet privijemo. S pomočjo cevnega nastavka na steklenici z destilirano vodo navlažimo

kisikovo oziroma zračno stran elektrolizerja na spodnjem priključku. Nato priključimo še napajalno

enoto, kjer lahko uporabimo baterije ali pa sončne celice. Pozor! Rdeča žica pomeni ''+'' in črna ''-''.

Ko končamo s postavitvijo, naj bi postaja izgledala nekako tako, kot na sliki 25.



Slika 25: Polnilna postaja

Polnilna postaja je pripravljena za proizvajanje in shranjevanje vodika v rezervoarju. Ko vključimo

stikalo na napajalni enoti, se začne proizvodnja vodika. Ko je rezervoar poln, začne vodik izhajati iz

rezervoarja v obliki večjih mehurčkov.

6.2. Sestava vozila

Na elektrolizerjevo stran shranjevalnega rezervoarja pritrdimo tesnilne kapice. Na spodnji

priključek vodikove strani gorivne celice priključimo cevko in tesnilno sponko. S cevko povežemo

shranjevalni rezervoar in zgornji priključek vodikove strani gorivne celice. Shranjevalni rezervoar

povezan z gorivno celico namestimo na podvozje vozila. Z žicami povežemo elektromotor z

gorivno celico. Pozor! Rdeča žica pomeni ''+'' in črna ''-''. Sedaj napolnimo shranjevalni rezervoar z

destilirano vodo do spodnje označevalne črte. Tesnilno sponko na strani rezervoarja na vozilu

odpremo, da odzračimo in nato spet zapremo. Vedno smo pozorni, da v cevki ni vode. Sistem vozila

je prikazan na sliki 26.

Da napolnimo rezervoar na vozilu z vodikom, uporabimo trdo spojno cevko in nanj priključimo

cevki iz rezervoarjev, ki sta zatesnjeni. Nato odtesnimo sponki in napolnimo rezervoar vozila z

vodikom. Proces je končan, ko se tlaka v obeh rezervoarjih izenačita. Tesnilni sponki spet zapremo

in odklopimo povezavo med cevkami, ki povezujeta rezervoarja. S pomočjo stikala pri

elektromotorju lahko vozilo poženemo.



Slika 26: Vozilo na gorivne celice

7. Literatura

[1] Matija Tuma, Mihael Sekavčnik: Energetski sistemi (preskrba z električno energijo in

toploto), Tretja izpopolnjena in predelana izdaja, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2004.

[3] h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH: Fuel cell Technology for classroom instruction

– Basic principles, Experiments, Worksheets, 2nd edition, Lübeck, Germany, 2009.

[2] h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH: Fuel Cell – Experiments, Lübeck, Germany,

2004.

[3] Viola Francke: Wasserstofftechnik (Neue Wege in der Energieversorgung), Fachverband fűr

Energie-Marketing und -Anwendung (HEA) e. V. beim VDEW.

Documents

Tehnologije gorivnih celic