FAKULTET ZA FIZIČKU HEMIJU, UNIVERZITET U BEOGRADU
SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA: NOVE FIZIČKOHEMIJSKE METODE
PEM gorivne ćelije i metode njihove
karakterizacije
Profesor: Šćepan Miljanić
Student: Platiša Jelena
UVOD
Gorivne ćelije su primarne ćelije čiji se rad bazira na elektrohemijskoj
konverziji hemijske energije (energija hemijske oksidacije nekog goriva) u
električnu energiju. Kao i sve elektrohemijske ćelije, one se sastoje od para
elektroda (anode i katode), elektrolita i metalnog dela kola (provodnika). U
ovim ćelijama se na jednu elektrodu (anoda) dovodi gorivo, a na drugu
(katoda) oksidaciono sredstvo, tako da sagorevanjem gorivni element
neprekidno daje električnu struju. Za razliku od baterija, kod kojih su
reaktanti smešteni u ćeliji iz čega proizilazi njihov ograničeni kapacitet, kod
gorivnih ćelija reaktanti kontinualno utiču u sistem iz spoljašnjih izvora.
Princip rada gorivnih ćelija poznat još od 1838. godine, kada ga je otkrio
nemački hemičar K. F. Šenbajn
(
Christian Friedrich Schonbein), samo nekoliko
godina kasnije rezultirao je razvojem prve primitivne gorivne ćelije koja je
delo velškog naučnika V. R. Gruva (Sir William Grove) [1]. Adekvatno
diznajniran sistem gorivnih ćelija može biti pouzdan i trajan metod za
proizvodnju ekološki čiste energije (Zhu
et al.
, 2007). [2].
Gorivna ćelije sa polimernom membranom (PEM - Polymer electrolyte
membrane) je vrsta nisko-temperaturne gorivne ćelije, koja koristi vodonik
kao gorivo (ili neko jedinjenje bogato vodonikom), kiseonik iz vazduha kao
oksidans, a elektrolit je polimerna membrana koja provodi protone. PEM
gorivne ćelije su izmišljene ranih 60-tih godina prošlog veka od strane V. T.
Graba (Willard Thomas Gruub) i L. Nidraha (Lee Niedrach) iz kompanije
Dženeral Elektrik (General Electric) . Pored prednosti, u vidu male zapremine i
mase, PEM ćelije odlikuju i niska radna temperatura, brzo startovanje, brz
odziv na prelazne režime, čvrst elektrolit koji smanjuje koroziju i olakšava
rukovanje, kao i izuzetna ekološka opravdanost usled niskog zagađenja. Sa
ovim karakteristikama gorivne ćelije su bolje nego bilo koji sistem
4
akumulatora i imaju velike šanse da zamene motore sa unutrašnjim
sagorevanjem u vozilima. Mnogi smatraju da su PEM ćelije zahvaljujući niskoj
radnoj temperaturi i lakoj konstrukciji najperspektivnije gorivne ćelije u
oblasti transporta i mobilnih uređaja [2] (Zhu
et al.
, 2007).
Mane koje nisu zanemarljive i čije je otklanjanje preduslov za njihovu
širu upotrebu su skup katalizator i velika osetljivost na nečistoće u gorivu.
Danas su PEM gorivne ćelije tema velikog broja istraživačkih radova, kako u
okviru naučno-istraživačkih instituta, tako i u okviru razvojnih laboratorija u
industriji. Izazovi su veliki, jer se istražuje i razvija svaki segment
funkcionisanja gorivih ćelija od elektroda, katalizatora, elektrolita, pa do
savremenih materijala za skladištenje vodonika.
1. DIZAJN PEM GORIVNIH ĆELIJA
Svaka gorivna ćelije sa polimernom membranom sadrži tri
komponente: sistem membrana-elektroda (MEA, a membrane-electrode
assembly), dve ploče za protok gasa (collector ili flow-field plates) i dva
zatvarača (slika 1). U svojoj najednostavnijoj formi MEA se sastoji od
membrane (čvrsti polimerni elektrolit), dva katalitička sloja i dva sloja za
difuziju gasa (GDL, gas diffusion layer) (Mehta and Cooper, 2003). Generalno
govoreći, elektrolit je čvrsti polimer (uglavnom Nafion
®
), katalizator je platina
inkorporirana u ugljenik a GDL je sačinjen od grafitnih vlakana (Latham,
2001). Ćelija je upakovana tako da se polimerna membrana nalazi u sredini, sa
5
Slika 2. Više gorivih ćelija serijski vezanih (fuel cell stack)
2.1 PREGLED DIZAJNA MEA
Kao što je već napomenuto, sistem membrana-elektroda (MEA) se sastoji
od membrane, katalitičkog sloja i sloja za difuziju gasa (slika 3). Membrana
ima ulogu da razdvoji elektrode tj. da odvoji reakcije redukcije i oksidacije
obezbeđujući prolaz protona, kako bi se reakcija odigrala do kraja, uz
istovremeno primoravanje elektrona da prolaze kroz spoljašnje kolo.
Katalitički sloj stimuliše reakcije redukcije i oksidacije a sloj za difuziju gasa
poboljšava efikasnost sistema obezbeđujući direktan i uniforman kontakt
goriva i oksidanta sa katalitičkim slojem.
7
