PEM Tüzelıanyag-cellák kutatása és alkalmazása Magyarországon. Tompos András

Átírás

1 HIDROGÉNGAZDASÁG: LEHETİSÉGEK ÉS KIHÍVÁSOK MAGYARORSZÁG ÉS AZ EU SZÁMÁRA Budapest, Magyarország, 2011 PEM Tüzeıanyag-ceák kutatása és akamazása Magyarországon Tompos András Magyar Tudományos Akadémia Kémiai Kutatóközpont Nanokémiai és Kataízis Intézet, Budapest

2 Meghatározó váaatok és kutatóheyek Magyar Teekom Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai Intézet, Eektrokémiai és Eektroanaitikai Laboratórium STS group Kontakt Eektro Kft. MTA Kémiai Kutatóközpont

3 ELTE STS Group bemutatása Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai- és Matematikai Intézet, Budapest» Esı Stratégiai Kutatóhey tüzeıanyag-cea témában (NKTH Nekifut)» Esı keet-közép-európai tüzeıanyag-cea kutatóközpont ( aapján)» 11 kutató» Mőszerek az ipari berendezésektı az atomi febontás vizsgáatáig» Virtuáis és szimuációs környezetek STS Group Zrt., Gyır» Gyorsan növekvı megújuó technoógiákka fogakozó cég» 2,5 Mrd Ft árbevéte 2010-es évben

4 Tüzeıanyag-cea kutatás és fejesztés az ELTE-STS group együttmőködésében A patinakataizátor odódása A patina vaódi feüetének jeentısége Az oxigénfejıdés és -redukció vizsgáata MEA készítés és teszteés Tömítések készítése és teszteése PEM tüzeıanyag-ceák tervezése, készítése és teszteése Matematikai modeezés (reakcióséma, áramási profi stb.) Jármőtervezés (HY-GO és HY-GO 2.0), üzeti terv Regeneratív kogenerációs PEM ceák tervezése és kiviteezése STS Group-ná, bipoáris apok készítése

5 PEM ceák feépítése, mőködése

6 A tüzeıanyag-cea szíve, a MEA anód katód H 2, ta. O 2, air szén szemcsék Gázáramási csatornák Gázdiffuziós réteg ~250 µm µm gáztranszport vízze teített mikropórusok mezopórusok Pt- nanorészecskék Kataizátor ~25 µm Poimer membrán µm

7 A tüzeıanyag-ceák vizsgáata (eemi ceák)

8 Mőkıdési fetéteek, hatásfok 1. T=80oC, tökéetesen nedvesített 2. T=80oC, 50%-os nedvesítés 3. T=80oC, száraz gáz Cea potenciá / V Áramsőrőség / A cm-2

9 Cea potenciá / V Cea feszütség / V 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Kinetikai tartomány PEM cea mőködése migráció Proton migráció, diffúzió 0,01 0,1 1 Áramsőrőség / A cm-2 Áram sûrûség / Acm -2 Cick to edit the outine text Kinetikai format Diffúzió+Kinetika Dupameredekség Esırendő koncentráció Second Proton+Kinetika Dupameredekség Outine Leve gyökös koncentráció Third Outine Leve Fourth Outine Leve c αf Ai 0 L Kexp 0 u c RT DKAi α eff 0 F Lcexp 0 u c 2RT σeff caik 0 αf exp u 0 c 2RT Proton+Diffúzió+kinetika σeff c α Négyszeres meredekség 4 F AiDKexp u 0 0 eff Gyökös koncentráció c 4RT

10 A ceaköteg összeáítása ben Tüzeıanyag-cea köteg (stack) összeszereése az ELTE aboratóriumában, háttérben egy kész ceaköteg Gondosan etisztított emezek, tömítések, tökéetesen sík fedıemezek

11 Az áramási mezı tervezése és vizsgáata neutronradiográfiáva A méréseket az ELTE kutatócsoprtja a KFKI AEKI Neutronradiográfiai csoportjáva együtt végezte

12 A HY-GO 2.0 az V. Széchenyi futamon, Méret: 1,5 x 1,12 x 2,74 méter Súy: 290 kg Tejesítmény: 1000 W Hidrogén üzemanyag: 160 g Fogyasztás: 1,9 g H2 / km Végsebesség: 55 km/óra Hatótáv: 85 km Egy kiométer megtétee 30 forintba kerü. CO2 kibocsátás zéró. A jármőben két, 10 protoncseréı membrános egységbı áó tüzeıanyagcea szogátatja az energiát. A hidrogén két, TiFeHx hidrid aakban tároó, 38,4 cm hosszúságú, 8,9 cm átmérıjő tartáyban van a jármőben.

13 Recomend: Regeneratív Kogenerációs Menetrendkövetı Kis-erımő I. Tároás II. Fehasznáás Eıny: nagy energiasőrőség Hátrány: magas kötség Megodás: 2 eszköz egyben Feadat: Többfunkciós kataizátorok és eektródrendszerek Beiesztés az energia háózatba

14 1 kw-os prototípus, 2010-ben Stack feszütség 8.6 Ceafeszütségek Feszütség / V 8.2 Fesztség / V idı / mp Regeneráció idı / mp

15 Új kogenerációs stack-ek és rendszer

16 Rendszer mőködése 2 kw foyamatos C / t k e é rs é m ı H a r b / á s m y o n c k a a p n g é g ro ro id H Idı / másodperc

17 Összefogaás (ELTE STS group tevékenysége) Több éves tapasztaat a hidrogén tüzeıanyag-ceák fejesztésében és üzemetetésében Kogenerációra és hosszú távú üzemre képes tüzeıanyag-ceás rendszer fejesztése Skáázható 2-30 kw-ig Szabványos megodások, eektromos háózatra kapcsoható Hasznáati meeg víz rendszerre kapcsoható Menetrend követés, gyors tejesítményingadozásokat is eköveti Gyors induás, akár 0 tejesítményre is visszaszabáyozható Eérhetıségek:» Kriston Ákos: Gyepes Tamás: info@fuece.hu

18 Cégbemutató Eérhetıségek: Hagyományos tevékenységek: - viamos berendezések gyártás - ipari automatizáás ipari eektronikus készüékek, Jövıkép új irány: - tüzeıanyag-ceák - hidrogéngazdaság ben új gyártócsarnok kerüt átadásra

19 Tüzeıanyag-ceás fejesztések ben ekészüt az esı 100W-os stack prototípusa ben ekészüt az esı kompett berendezés: egy 300W-os hordozható generátor ben ekészüt egy demonstrációs céú, hidrogén hajtású, eektromos kerékpár ben eindut egy saját fejesztéső komponensekre támaszkodó ceafejesztési projekt ben eindut egy piaci stackekre aapozott berendezés-fejesztési projekt.

20 Stack-fejesztés saját komponensekre aapozva GOP / támogatássa 1. Új anód odai kataizátor fejesztése 2. MEA gyártás foyamatának kidogozása, küönbözı mérető MEA-k egyártása - MTA Központi Kémiai Kutató Intézet Nanokémiai és Kataízis Intézete 3. Bipoáris emez grafit kompozit aapanyagának fejesztése - BME Gépészmérnöki Kar Poimer technika Tanszéke - sikeres stack-kíséretek présehetı aapanyagbó mart emezekke - kezdeti eredmények fröccs önthetı aapanyagga 4. Bipoáris emez gázáramási csatornáinak megtervezése, optimaizáása - több design teszteése: zárt katódos, nyitott katódos - gázáramási szimuációs eredmények 5. Ceák tömítésének megtervezése, optimaizáása tömeggyártáshoz - több design teszteése: o-győrős, aptömítéses - kíséretek tömeggyártási módszerekke: X-Y robot, szitázás 6. Nagytejesítményő stackek teszteı berendezésének megépítése - rendszerterv, hardvereemek kidogozva, várható befejezés: 2012 eeje 7. Stackek nagyüzemi összeszereési foyamatának kidogozása - tervek szerint 2012-ben 8. Küönbözı tejesítményő proto stackek összeszereése, teszteése - tervek szerint 2012-ben

21 Bipoáris emezek fejesztése Aapanyag-fejesztés kihívásai: - viamos szempontbó: miné jobb vezetı - mechanikaiag sziárd, rugamas - kémiaiag stabi, eenáó - gáztömör - megfeeı hidrofób/hidrofi tuajdonságú - jó hıvezetı - jó megmunkáható: fröccsönthetı! Rajzoat-tervezés nehézségei: - optimáis csatornakiaakítás - nagy efedettség az aktív terüet aatt - homogén, kis nyomásesés - megfeeı vízkihajtás - gázáramási szimuációkka tesztet - megfeeı tömítettség biztosítása

22 eején beüzemeésre kerüt a Bio-Logic cég FCT-150S tesztberendezése az MTA KK-ban - A MEA-fejesztés támogatására kifejesztett a cég egy stackprés berendezést (FCT-150S-hez) - A sok-ceás, nagytejesítményő prototípusok teszteéséhez nagytejesítményő teszteı berendezés fejesztésébe kezdett a cég - Több, küönbözı kiaakítású 1-5 ceás stack ett megépítve a gázáramás, vízháztartás, tömítés összeszereés probémáinak teszteésére Stack összeszereés és teszteés

23 Berendezés-fejesztés (piaci stack-ekre aapozva Baross Gábor REG_DD_ ) Háttérinformáció: - partner: PTE-PMMK Mőszaki Informatika és Viamos Intézet - Baard stackekre aapozva 2012 év végéig ekészítendı 2-2db berendezés 1kW-5kW közötti tejesítményeken: - betéri UPS-ek - szabadtéri segédáramforrások Részfeadatok: - gázmenedzsment, tejesítménykonverzió, hıháztartás, rendszerfeügyeet biztosítása

24 Hidrogén teepheyi eıáítása napenergiábó - Az autonóm, szigetüzemő energiaeátás demonstrációja céjábó megépítésre kerü két, napeemekke mőködı eektroizáó berendezés, mey a víz eektroízisse történı szétbontásáva hidrogént áít eı. - A fejesztett hidrogén hagyományos nagynyomású és meta-hidrid paackokban kerü tároásra, saját teepheyen történı besı fehasznáás céjábó.

25 GOP / Hidrogénüzemő Tüzeıanyag-ceák eektrokémiai reaktorának (stack) aapkutatások eredményein aapuó fejesztése Anód odai kataizátorok tervezése Pt tartaom csökkentése, aktivitás növeése, CO toerancia növeése Pt/C eıáítása (aktív szén hordozó i. eıáítási módszer optimaizáása) Kétfémes MePt/C kataizátorok eıáítása (Me=Sn, Pb, Ge) irányított feüeti reakciókka Aktív szén módosítása saváó vezetıképes TiO2 aapú vegyes oxidokka Eektrokémiai vizsgáatok aktív feüet meghatározása és CO eektrokémiai oxidációja MEA vizsgáatok MTA KK feadata Ink-jet nyomtatás a megfeeı kataizátor szuszpenzió/ tinta eıáítása MEA eıáítása a küönbözı tejesítménykategóriájú stack-ekhez

26 Pt/C Kataizátorok tervezése Aktív szén hordozók Ketjenback EC 300 Back Pears 2000 Vucan XC-72 Eıkezeés: feüeti funkciós csoportok módosítása Módosítás vezetı oxidokka (saváó-képesség, CO toerancia növeése) Pt fevite a hordozóra Impregnáás Odószeres kémiai redukció Optimaizáandó faktorok: odatok és a szuszpenziók koncentrációja, a keverés ideje, hımérsékete, a HC odat mennyisége, utrahangozás ideje, hımérsékete, szárítás hımérsékete, reduktív eıkezeés hımérsékete. A Pt módosítása - második fém bevitee irányított feüeti reakcióva 5 bar, H H-Pt/C + Sn(C 2 H 5 ) 2 4 Sn-Pt/C + 4 C 2 H 6 (1) 170 o C

27 A hidrogénes eıkezeés hımérséketének hatása j (ma/cm 2 ) ,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1, C 100 C 300 C feett Aktív szén szemcse Pt nanorészecske -4-5 Az eıkezeés céja A Pt redukát áapotának eérése C-1 ionok etávoítása (H2PtC6 prekurzor) Ewe (V) vs. NHE Tú magas hımérséketen a Pt szemcsék szinterezıdése figyehetı meg Eektrokémiai aktív feüet, m 2 /g kat Hımérséket, o C

28 Aktív szén hordozó hatása a hidrogén eektro-oxidációjára j (ma/cm 2 ) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Back Pears 2000 Ketjen Back EC300 Vucan XC-72 Vezetıképesség Szemcseméret Fajagos feüet Hézagtérfogat Feüeti funkciós csoportok szerepe -8 Ewe (V) vs. NHE

29 CO toerancia növeése második fém beviteéve 2 1,6 1,2 Pt/C SnPt/C j (ma/cm 2) 0,8 0,4 0-0,2 0,3 0,8 1,3-0,4 Ewe (V) vs. NHE CO-toerancia jeentıs növekedése Sn hatására

30 CO toerancia növeése második fém beviteéve (XRD vizsgáat) Pt3Sn PtSn Pt3Sn PtSn Pt3Sn Pt3Sn PtSn PtSn Pt3Sn és PtSn ötvözet fázisok megjeenése

31 CO toerancia növeése második fém beviteéve 2 1,6 1,2 Pt/C SnPt/C PtSn j (ma/cm 2) 0,8 0,4 Pt3Sn 0-0,2 0,3 0,8 1,3-0,4 Ewe (V) vs. NHE

32 CO toerancia növeése Ti-aapú vezetıképes vegyes oxidokka A módosítatan TiO2 önmagában févezetı, ugyanakkor eená a savas körüményeknek Oyan módosítókat ke taáni, ameyek növeik a TiO2 vezetıképességét, CO-toeranciájuk kiemekedı. Átaános összetéte: 40% Pt / x% TiyMe(1-y)O2 / C

33 CO toerancia növeése Ti-aapú vezetıképes vegyes oxidokka % Pt / x% TiyMe(1-y)O2 / C Pt/C 2 j (ma/cm 2 ) 1 0-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, Ewe (V) vs. NHE CO eektro-oxidációjának kiinduási potenciája jeentısen csökken a módosító hatására A módosított kataizátoron a hidrogén eektrooxidációja CO jeenétében is kimutatható; a kataizátor nem passziváódik

34 Aktivitás a hidrogén eektrooxidációjában Ti-aapú vezetıképes vegyes oxidokka j (ma/cm 2 ) % Pt / x% TiyMe(1-y)O2 / C Pt/C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 EWE (V) vs. NHE

35 A referencia Pt/C kataizátor tüzeıanyag-ceás vizsgáata 1 0,8 Kezeeten-GDL Tefon-kezet-GDL E (V) 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 I (A/cm 2 ) MEA Pt tartama: 0.2 mg Pt /cm2 anód; 0.35 mg Pt/cm2 katód Oxigén és hidrogén betápáás a katód és az anód odaon

36 Összefogaás Egymást kiegészítı eektrokémiai és anyagtudományi kutatási potenciá az ELTE és az MTA KK kutatócsoportjaiban. Üzeti rések sikeres megcézása az STS group és Kontakt Eektro Kft. áta a kogenerációs akamazások a baatoni hajózás és egyéb kis tejesítményő jármővek terüetén. Széesebb körő együttmőködésse még versenyképesebb kutatási-fejesztési potenciá érhetı e.