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

Átírás

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

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

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

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

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

9 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

10 A legismertebb

11 Az első híres FC

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

13 Egyéb tüzelőanyag-cella alkalmazások

14 Újabb modellek

15 Készenléti áramforrás

16 Komplex rendszerek

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

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

19 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)

20 Elméleti energia sűrűségek

21 Tank-to-wheel

22 A Protoncsere-membrános tüzelıanyag-cella mőködése

23 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

24 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

25 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

26 Meghatározó egyenletek

27 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

28 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

29 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

30 Tüzelıanyag-cella rendszerek a gépjármővek energia ellátásában

31 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

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

33 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

34 Szabályozási problémák Teljesítménysőrőség / W kg -1 Energiasőrőség / Wh kg -1 Chem. Rev, 104, 4245 (2004)

35 Direkt hajtás?

36 FC-SC működése

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

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

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

40 Üzlet-e a tüzelıanyag-cella?

41 Piaci helyzetkép - üzemanyagcellák

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

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

44 Támogatóink Magyar Villamos Mővek STS-Group Zrt. NKTH

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