Protoncserélő membrános hidrogén - levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Protoncserélő membrános hidrogén - levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása"

Erik Molnár
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Protoncserélő membrános hidrogén - levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása Közlekedési alkalmazásokhoz Kriston Ákos, PhD hallgató, Kriston Ákos, PhD hallgató, Inzelt György, egyetemi tanár ELTE Kémiai Intézet, Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium ELTE Matematikai Intézet Alkalmazott Analízis Tanszék

Kriston Ákos, PhD hallgató, Inzelt György, egyetemi tanár ELTE Kémiai Intézet,

2 Tartalom Magunkról Mi az tüzelıanyag-cella? Az üzemanyagcella mőködése Tüzelıanyag-cellák a közlekedésben Hy-Go projekt Technológiai kihívások

3 Tüzelőanyag-cella kutatás az ELTE-n ELTE elektrokémiai és matematikai kutatásaira építve Nemzetközileg szintő elektrokémiai laboratórium Szimulációs, modellezı eszközök fejlesztése Membránok, katalizátorok fejlesztése és vizsgálata

elektrokémiai laboratórium Szimulációs, modellezı

4 Elektrokémiai vizsgálatok Potenciosztátok (1nA-20A) Kvarckristály nanomérleg Forgó győrős elektródok

5 Dinamikus szimulációs alkalmazások Matlab, Comsol környezetek Operátor-spliting technika

6 Fuel cell - Laboratórium Beépített vizsgálati módok Teljesítmény diagramok (UI) Élettartam vizsgálatok Impedanciaspektroszkópia Saját fejlesztés Tranziensek vizsgálata Csúcsteljesítmény (peak-power) vizsgálata Szimuláció Membrán fejlesztés

Impedanciaspektroszkópia Saját fejlesztés Tranziensek

7 III. Széchenyi futam EPR08 WireCar Fuel cell energia puttony Fuel cell akkumulátor töltı versenyautókhoz

8 Mi a tüzelőanyag-elem? Fuel cell Üzemanyagcella Tüzelıszer-elem Tüzelıanyag-cella

9 Mi a tüzelőanyag-elem? Fuel cell Üzemanyagcella Tüzelıszer-elem Tüzelıanyag-cella

10 Mi a tüzelőanyag-elem? Fuel cell Üzemanyagcella Tüzelıszer-elem Tüzelıanyag-cella

11 Tüzelőanyag-cella típusok CO 2, H 2 O Fogyasztó N 2, H 2 O, O 2 Tüzelıanyag Levegı Anód Elektrolit Katód

12 Tipikus alkalmazások Hordozható eszközök, magas energia sűrűség Mobil, otthoni alkalmazások zero károsanyag kibocsátás Ipari alkalmazások, magasabb hatásfok, zajmentes környezet-barát működés W 1k 10k 100kW 1M 10MW Methanol Lúgos Karbonátos Protoncsere-membrán Foszforsavas Szilárd oxid James Larminie: Fuel cell systems, explained, 2004, Willey

környezet-barát működés 1 10 100W 1k 10k 100kW 1M 10MW Methanol Lúgos Karbonátos

13 A legismertebb

14 Az első híres FC

15 Olvadt karbonátos cella (MCFC) MTU Friedrickshafen 230 kw elektromos 210 kw Hı Földgáz 600 o C üzemi hımérséklet

16 Egyéb tüzelőanyag-cella alkalmazások

17 Újabb modellek

18 Készenléti áramforrás

19 Komplex rendszerek

20 Üzemanyagcellás járművek AeroVironment 9 órás repülés 100 db kísérleti autó, Honda FCX Clarity és a GM Chevrolet Equinox A Mi autónk?

21 Miért alkalmazunk tüzelıanyag-cellákat az (elektromos) energia ellátásban?

22 Energiaátalakítás Tüzelőanyag kémiai energiája 100 η ta. elem Tüzelőanyag-elem elméleti (reverzibilis) hatásfoka η ta.cella =- G r / H r Elektromos energia η=100 % Hatásfok, % (Fűtőertékre Fűtőertékre) Hőerőgép Carnot hatásfoka η =(T f -T a )/T f η~100 % 20 Hőenergia η hőerőgép Hőmérséklet, o C, (T ta. cella ill. T f Carnot ) Mechanikai energia (munka)

23 Elméleti energia sűrűségek

24 Technológia összehasonlítása Teljesítménysőrőség / W kg -1 Energiasőrőség / Wh kg -1 Chem. Rev, 104, 4245 (2004)

25 Tank-to-wheel

26 A Protoncsere-membrános tüzelıanyag-cella mőködése

27 A tüzelőanyag-cella szíve anód katód H 2, ta. O 2, levegő szén szemcsék gáztranszport vízzel telített mikropórusok mezopórusok Pt- nanorészecskék áramlási mező flow field gáz diffúziós réteg gas-diffusion layer ~250 µm µm katalizátor catalyst ~25 µm polimer elektrolit membrán µm

28 Működési körülmények - hatásfok 1,0 0,9 Hidrogén, levegõ nedvesítés Csak levegõ nedvesítés 0,4 Cella feszültség / V 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Teljesítmény / Wcm -2 0,3 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Áramsûrûség / Acm -2 T=80 o C Teljesítmény:0.4Wcm -2 Pt tartalom: 5g/m 2

29 Elektrokémiai viselkedés 6,0x10-4 4,0x , ,74 2,0x10-4 0, ,73 I / A -2,0x ,0x , ,71 f / khz -6,0x ,0x ,0x ,2x , , ,68-0,4-0,2 0, 0 0, 2 0,4 0,6 0, 8 1, 0 1,2 1,4 E / V vs. SCE

30 Meghatározó egyenletek

31 Az egyszerűsített egyenletrendszer A folyamatokat leíró egyenletek i i 1 2 σ ϕ x 1 = eff ϕ 2 = κeff x i1 i2 = x x Szilárd fázis Oldat fázis Elektroneutralitás + További jelenségeket leíró egyenletek

32 A kanonikus alak u ( X τ, τ ) = 2 u 2 x ( X, τ ) ν 2 f ( u( X, τ )) Ahol X és tau rendre a térben és idıben transzformált változókat jelenti Diffúziós tag Forrás tag

33 Szimulációs eredmények Cella feszültség / V 0,9 0,6 0,3 Mérés, intenzív használat után Szimuláció (1) Mérés, hosszú ideig pihentetett cellán Szimuláció (3) Dimenziómentes reakció sebesség 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 I=0,01 Acm -2 I=0,1 Acm -2 I=0,5 Acm -2 0,0 0,0 0,3 0,6 Áram sûrûség / Acm -2-0,0005 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 Katód keresztmetszete / cm

34 Feszültség relaxáció vizsgálata - PID E=E 0 b log j-r j-m exp(nj) η( 0,60 RT αf αf log RT Ai A C dl dl ( 1 ε )( ε ) 0 Ai t) = t j st L 1,0 0,9 Cell Potential / V 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Cell potential / V 0,55 0,50 Ohmic drop 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Current / A 0,0 0,4 0,8 time / s A mért értékek korrelációt mutatnak az alkalmazott frekvencia, kitöltési tényezı és áram között

35 Tranziens viselkedés 0,9 Cell Voltage / V 0,8 0,7 0, time / s A felületi réteg (oxid) értelmezése szükséges

36 Tüzelıanyag-cella rendszerek a gépjármővek energia ellátásában

37 A saját prototípus vázlata Tüzelőanyag-elem 2. fázis H2 metal-hidrid tároló Micro controller Vészelzáró Tüzelőanyagelem Nyomásszabályozó Szelep Fitting, csővezeték Levegő pumpa 1. Fázis Akkumulátor Víz, hő kivezető Hidrogén Levegő Fogyasztó Elektromos rendszer Szabályozás

38 Tüzelőanyag-cella rendszer Inverter Fuel cell Akkumulátor Nagynyomású tank Hőtés Elektromotor Szabályzó

39 Biztonság Nagynyomású tartály A hidrogén nyílt téren kevésbé veszélyes, mivel gyorsan eltávozik a tartályból robbanás nélkül, szemben a benzinnel, amely kifolyva sokáig ég meggyújtva környezetét

40 Direkt hajtás?

41 Technológia összehasonlítása Teljesítménysőrőség / W kg -1 Energiasőrőség / Wh kg -1 Chem. Rev, 104, 4245 (2004)

42 FC-SC működése

43 Hy-Go Projekt Direkt FC meghajtás Saját fejlesztéső áramlökés-álló membrán Nagyrészt Magyarországon gyártott termékekbıl

44 A rendszer optimalizálásának kérdései Igényelt motor teljesítmény / W FC teljesítmény / W Kiegészítő Akku teljesítmény / W 600 Teljesítmény / W Idő / perc

45 Légfelesleg és nyomás 5 4,95 2-szeres légfelesleg 3-szoros légfelesleg Akkumulátor kapacitás / Ah 4,9 4,85 4, Hidrogén mennyiség / l 4, ,

46 Üzlet-e a tüzelıanyag-cella?

47 Piaci helyzetkép - üzemanyagcellák

48 Üzemanyagcellák üzemanyaga Masdar az elsı megújuló energiákra épülı város (Egyesült Arab Emirátusok)

49 Technológiai kihívások Pt, Carbon korrózió, mérgezıdés Indítás, leállítás tranziensek Mikroplazmák kialakulása Membrán átlukadása Szabályozási problémák, vízkezelés Hőtési gondok Hidrogén infrastruktúra Költségek

50 Támogatóink Magyar Villamos Mővek STS-Group Zrt. NKTH

51 Köszönjük a figyelmet! Kapcsolat: Dr. Inzelt György inzeltgy@chem.elte.hu Elektrokémiai és elektroanalítikai laboratórium Kriston Ákos info@fuelcell.hu Szabó Tamás Alkalmazott Analízis tanszék szabot@cs.elte.hu

52 Előadások, konferenciák, publikációk Elıadások, poszterek Faragó, I., Inzelt, G., Kriston, Á., Szabó, T., Investigation of fuel cell s transients for real time parameter estimation and control algorithms. (poster) 59th ISE Meeting, Seville, Spain 7-12 September, Szabó, T., Kriston Á., Reliability of the numerical simulation of fuel cells using operator splitting method. (lecture) European Seminar on Coupled Problems. Jetrichovice, Czech Republic 8-13 June, Szabó, T., Kriston, Á., Analysis of the numerical modelling of fuel cells using operator splitting method. (poster) Encounters between Discrete and Continuous Mathematics Workshop on Dynamical Networks, Numerical Analysis and Ergodic Theory applied to Combinatorial Number Theory. Blaubeuren, Germany, 8-12 April, Faragó, I., Inzelt, G., Kornyik, M., Kriston, Á., Szabó, T., Stabilization of a numerical model through the boundary conditions for the real-time simulation of fuel cells. (lecture) International Conference on Systems, Computing Sciences and Software Engineering. University of Bridgeport, CT, USA, 3-12 December, Kriston, Á., Szabó, T., Faragó, I., Inzelt, G., Kornyik, M., Transient behavior of fuel cells and its control strategy for electric vehicles. (lecture) International BeLCAR matchmaking event, Stuttgart, Germany, 25 September, Kriston Á., Szabó T., Az üzemanyagcellák gyakorlati alkalmazásai. (lecture) Szent István Egyetem, Gyır, May, Kriston Á., Az üzemanyagcellák gyakorlati alkalmazásai. (lecture) First Hungarian Alternative Energy Claster, Budapest 13. December, Kriston Á., The Connection of Hydrogen and the knowledge based economy. (lecture) First Budapest International Hydrogen Energy Forum, 9-10 October, Cikkek Faragó, I., Inzelt, G., Kornyik, M., Kriston, Á., Szabó, T., Stabilization of a numerical model through the boundary conditions for the real-time simulation of fuel cells. International Conference on Systems, Computing Sciences and Software Engineering. Innovations and Advanced Techniques in Systems, Computing Sciences and Software Engineering. pp , Kriston, Á., Inzelt, G., Estimation of the characteristic parameters of proton exchange membrane fuel cells under normal operating conditions. Journal of Applied Electrochemistry, Springer Netherlands, vol. 38, No , pp Faragó, I., Inzelt, G., Kriston, Á., Kornyik, M., Szabó, T., Tüzelıanyag-elem fejlesztés magyar szemmel. A Jövı Jármőve - Jármőipari Innováció. Vol. 3. No , pp Inzelt G., Régi-Új Áramforrások: A Tüzelıanyag-elemek. Fizikai Szemle 2004/8 252.

Hasonló dokumentumok

Tüzelıanyag-cellák. Kriston Ákos, PhD hallgató, Inzelt György, egyetemi tanár ELTE Kémiai Intézet, Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium

Tüzelıanyag-cellák. Kriston Ákos, PhD hallgató, Inzelt György, egyetemi tanár ELTE Kémiai Intézet, Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium Tüzelıanyag-cellák A jövı otthonai és erımővei számára Kriston Ákos, PhD hallgató, Inzelt György, egyetemi tanár ELTE Kémiai Intézet, Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium Tartalom Magunkról