ogrzew_07.

OGNIWA PALIWOWE
Ogniwa paliwowe są urządzeniami generującymi prąd elektryczny dzięki
odwróceniu zjawiska elektrolizy. Pierwszy raz zademonstrował to w 1839 r
William R. Grove w swoim doświadczeniu które obrazowało moŜliwość syntezy
wodoru z tlenem w obecności katalizatora i fakt Ŝe towarzyszy temu
powstawanie prądu elektrycznego.
1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO
ANODA
KATODA
Reakcja połówkowa zachodząca po stronie anody:
H2 →2H+ + 2eReakcja połówkowa zachodząca po stronie katody:
1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
2. RODZAJE OGNIW PALIWOWYCH
Rozwijane są róŜne typy ogniw paliwowych. Generalnie są one klasyfikowane
ze względu na rodzaj uŜywanego elektrolitu, poniewaŜ determinuje on
temperaturę działania układu oraz rodzaj paliwa, które moŜe być wykorzystane.
2.1 ALKAICZNE OGNIWA PALIWOWE
Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku
sodu lub potasu. Jako paliwo jest na ogół
wykorzystywany gazowy wodór, natomiast
utleniaczem jest czysty tlen lub teŜ tlen zawarty w
powietrzu. Elektrody są wykonane z węgla oraz z
metalu, np. niklu. Produktem reakcji jest woda,
która musi być usuwana z systemu w procesie
parowania. Znaczącym, praktycznym problemem
jest atakowanie przez gorący, alkaliczny elektrolit
polimerów, z których wykonane są membrany. Ich wydajność sięga od 30 do 80
procent.
2.2 OGNIWA PALIWOWE Z KWASEM FOSFOROWYM
Elektrolit zawiera kwas ortofosforowy. Jako
paliwo jest wykorzystywany wodór, który moŜe
być zanieczyszczony dwutlenkiem węgla.
Utleniaczem jest tlen lub powietrze. Elektrody są
utworzone z węgla i ułoŜone w specjalny,
szeregowy układ, którego "rusztowanie" jest
wykonane z grafitu. Istotne problemy
konstrukcyjne w zakresie przyłączenia urządzeń
towarzyszących (wtyczki, czujniki, pompy)
powoduje wysoka temperatura pracy oraz
agresywny elektrolit. Wydajność wytwarzania energii elektrycznej wynosi ok. 40
proc., a jeśli para wodna zostanie wykorzystana do wytwarzania prądu w
kogeneracji
aŜ
85%.
.
2.3 OGNIWA PALIWOWE ZE STAŁYM TLENKIEM
Ogniwa ze stałym tlenkiem ze względu na
duŜą moc oraz wysoką temperaturę pracy
mogą znaleźć zastosowanie w duŜych
stacjach energetycznych. Zamiast ciekłego
elektrolitu zazwyczaj stosowany jest stały
materiał ceramiczny. Wydajność procesu
sięga 60 %. Prezentowane przez producentów
urządzenia osiągają moc nawet 220 kW.
Wysoka temperatura pracy umoŜliwia
budowę urządzeń
pracujących w
kogeneracji - gorące gazy wydzielane w procesie mogą zostać wykorzystane do
wytwarzania
pary
wodnej,
napędzającej
towarzyszącą
turbinę.
2.4 OGNIWA PALIWOWE ZE STOPIONYM WĘGLANEM
Jako paliwo moŜe być uŜywana mieszanina
wodoru oraz tlenku węgla, gaz ziemny,
propan, produkty gazyfikacji węgla i in..
Elektrolitem jest roztopiony węglan potasowolitowy. Testowane były juŜ układy o mocy od
10 kW do 2 MW. Wydajność układów sięga
45 proc. Wysoka temperatura pracy powoduje
szereg
problemów
konstrukcyjnych.
3. ZESTAWIENIE PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW OGNIW
REAKCJE
ELEKTROCHEMICZNE
RODZAJ OGNIWA
TEMPERATURA
PRACY
(°C)
Polymer Electrolyte/
Membrane (PEM)
60 - 100
Alkaline (AFC)
90 - 100
Anoda: H2 + 2(OH)- → 2H2O + 2eKatoda: 1/2 O2 + H2O + 2e- → 2(OH)Ogniwo: H2 + 1/2 O2 → H2O
Phosphoric Acid (PAFC)
175 - 200
Anoda: H2 → 2H+ + 2eKatoda: 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Ogniwo: H2 + 1/2 O2 → H2O
Molten Carbonate (MCFC)
600 - 1000
Anoda: H2 + CO3+2- → H2O + CO2 +
2eKatoda: 1/2 O2 + CO2 + 2e- → CO3+
2Ogniwo: H2 + 1/2 O2 + CO2 → H2O +
CO2
Solid Oxide (SOFC)
600 - 1000
Anoda: H2 + O2- → H2O + 2eKatoda: 1/2 O2 + 2e- → O2 Ogniwol: H2 + 1/2 O2 → H2O
Anoda: H2 →2H+ + 2eKatoda: 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Ogniwo: H2 + 1/2 O2 → H2O
4. BILANS ENERGII W OGNIWIE PALIWOWYM
Energia chemiczna ogniwa = Energia elektryczna + Energia cieplna
Ogniwo paliwowe H2/O2 pracujące w warunkach idealnych (obwód otwarty) powinno
dostarczać napięcie o wartości 1.16 V przy zerowej wartości natęŜenia prądu, temperaturze
800 C i ciśnieniu 1 atm. Dobrą miarą sprawności przemiany energii dla takiego ogniwa jest
stosunek aktualnej wartości napięcia do maksymalnej wartości teoretycznej. Wobec
tego w ogniwie paliwowym generującym napięcie o wartości 0.7 V, 66% energii jest to
energia elektryczna, natomiast resztę stanowi energia wydzielana w postaci ciepła,
wytwarzanego w skutek reakcji elektrochemicznych.
ILOŚĆ CIEPŁA GENEROWANA W PRACUJĄCYM OGNIWIE
Rozpatrzmy ogniwo pracujące w typowych warunkach (800 C, 1 atm), generujące napięcie
0.7 V gęstości prądu 0.6A/cm2, dla całkowitego natęŜenia prądu 60A.
Moc cieplna = Moc całkowita – Moc elektryczna
Pciep= Pcałk– Pelektr
= (Videal x I) – (V x I)
= (Videal – V) x I
= (1.16 V – 0.7 V) x 60 A
= 0.46 V x 60 coulombs/sec= 1650 J/min
5. PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI OGNIWA PALIWOWEGO
Napięcie [V]
1
2
3
4
Gęstość prądu [ A/cm2 ]
1 – Wartość napięcia dla obiegu otwartego ≈ 1.16 V
2 – Straty wywołane przebiegiem reakcji elektrochemicznych
3 – Straty wywołane rezystancją poszczególnych elementów ogniwa
4 – Straty wywołane zakłóceniami w procesach dyfuzji paliwa jak i utleniacza
4. ŁĄCZENIE OGNIW PALIWOWYCH W STOS
Pojedyncze ogniwo pracujące w warunkach rzeczywistych moŜe wytworzyć napięcie około
0.7 V.
Jest to zbyt małe napięcie z punktu widzenia zastosowania takiego ogniwa w praktyce.
Dlatego w celu uzyskania wyŜszych napięć, łączy się pojedyncze ogniwa w tzw. stosy.
5. OGNIWA PALIWOWE W RZECZYWISTOŚCI
PoniŜej pokazane są przykłady ogniw paliwowych stosowanych
motoryzacyjnym (General Motors/Opel fuel cell program, 1997 - 2000)
Gen 3, Moc 41kW
w
przemyśle
Gen7, Moc 120kW
Gen4, Moc 23kW
6. SPOSOBY POZYSKIWANIA WODORU
6.1 UKŁADY ZASILANE METANOLEM W SPOSÓB POŚREDNI
6.2 UKŁADY OGNIW PALIWOWYCH Z REGENERACJĄ ENERGII
Odbiornik energii
Zbiornik wodoru
Zbiornik tlenu
Ogniwo
Paliwowe
Elektrolizer
Zbiornik
wody
7. ZASTOSOWANIE OGNIW PALIWOWYCH
7.1 STACJONARNE WYTWARZANIE ENERGII
Elektrownia pracująca na ogniwach paliwowych
Ogniwo paliwowe typu PEMFC o mocy 250 kW słuŜące jako lokalne
źródło energii elektrycznej, zamontowane w Berlinie, 2000.
7.2 ZASTOSOWANIE OGNIW PALIWOWYCH W ELEKTRONICZNYCH
URZĄDZENIACH PRZENOŚNYCH
Ogniwo paliwowe zastosowane w laptopie pozwala na
jego pracę do 20 godzin
Ogniwo paliwowe zasilające amatorską kamerę video
7.3 ZASTOSOWANIE OGNIW PALIWOWYCH W PRZEMYŚLE
SAMOCHODOWYM
Ogniwa paliwowe zostały wykorzystane jako jednostki słuŜące do napędu silników
elektrycznych w pojazdach samochodowych. Powstały juŜ pierwsze prototypy samochodów
osobowych, dostawczych jak i pojazdów autobusowych. Podstawową zaletą jest tutaj
zupełny brak emisji szkodliwych związków do otoczenia takich jak CO2 czy NOx. PoniŜej
przedstawiona jest tabela z podstawowymi parametrami samochodu osobowego marki
OPEL Zafira.
Marka samochodu
Wymiary
Maksymalna prędkość
Rodzaj i parametry ogniwa
Moc i moment obrotowy
silnika
Rodzaj paliwa
Magazynowanie wodoru
Maksymalny zakres jazdy
Opel Zafira
4317mm(d) x 1742mm(s) x
1684mm(w)
140 km/h (90 mi/h)
PEMFC, 200 cells, 125 – 200V
60 KW, 251 – 305 Nm
Bezpośrednio czysty wodór
Ciekły wodór, zbiornik 75l/5kg
400 km, (250 mi)
Ogniowo paliwowe PEMFC
Opel Zafira zasilany ogniwem paliwowym PEMFC
Autobus zasilany ogniwem paliwowym
Mikrobus zasilany ogniwem paliwowym