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
Tartalom Magunkról Mi az tüzelıanyag-cella? Az üzemanyagcella mőködése Tüzelıanyag-cellák a közlekedésben Hy-Go projekt Technológiai kihívások
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 vizsgálatok Potenciosztátok (1nA-20A) Kvarckristály nanomérleg Forgó győrős elektródok
Dinamikus szimulációs alkalmazások Matlab, Comsol környezetek Operátor-spliting technika
Fuel cell - Laboratórium Beépített vizsgálati módok Teljesítmény diagramok (UI) Élettartam vizsgálatok Impedanciaspektroszkópia Saját fejlesztés Tranziensek vizsgálata Csúcsteljesítmény (peak-power) vizsgálata Szimuláció Membrán fejlesztés
III. Széchenyi futam EPR08 WireCar Fuel cell energia puttony Fuel cell akkumulátor töltı versenyautókhoz
Mi a tüzelőanyag-elem? Fuel cell Üzemanyagcella Tüzelıszer-elem Tüzelıanyag-cella
Mi a tüzelőanyag-elem? Fuel cell Üzemanyagcella Tüzelıszer-elem Tüzelıanyag-cella
Mi a tüzelőanyag-elem? Fuel cell Üzemanyagcella Tüzelıszer-elem Tüzelıanyag-cella
Tüzelőanyag-cella típusok CO 2, H 2 O Fogyasztó N 2, H 2 O, O 2 Tüzelıanyag Levegı Anód Elektrolit Katód
Tipikus alkalmazások Hordozható eszközök, magas energia sűrűség Mobil, otthoni alkalmazások zero károsanyag kibocsátás Ipari alkalmazások, magasabb hatásfok, zajmentes környezet-barát működés 1 10 100W 1k 10k 100kW 1M 10MW Methanol Lúgos Karbonátos Protoncsere-membrán Foszforsavas Szilárd oxid James Larminie: Fuel cell systems, explained, 2004, Willey
A legismertebb
Az első híres FC
Olvadt karbonátos cella (MCFC) MTU Friedrickshafen 230 kw elektromos 210 kw Hı Földgáz 600 o C üzemi hımérséklet
Egyéb tüzelőanyag-cella alkalmazások
Újabb modellek
Készenléti áramforrás
Komplex rendszerek
Üzemanyagcellás járművek AeroVironment 9 órás repülés 100 db kísérleti autó, Honda FCX Clarity és a GM Chevrolet Equinox A Mi autónk?
Miért alkalmazunk tüzelıanyag-cellákat az (elektromos) energia ellátásban?
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) 80 60 40 Hőerőgép Carnot hatásfoka η =(T f -T a )/T f η~100 % 20 Hőenergia 0 200 600 1000 1400 η hőerőgép Hőmérséklet, o C, (T ta. cella ill. T f Carnot ) Mechanikai energia (munka)
Elméleti energia sűrűségek
Technológia összehasonlítása Teljesítménysőrőség / W kg -1 Energiasőrőség / Wh kg -1 Chem. Rev, 104, 4245 (2004)
Tank-to-wheel
A Protoncsere-membrános tüzelıanyag-cella mőködése
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 100-300 ~250 µm µm katalizátor catalyst ~25 µm polimer elektrolit membrán 25-200 µm
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
Elektrokémiai viselkedés 6,0x10-4 4,0x10-4 59 84,75 59 84,74 2,0x10-4 0,0 59 84,73 I / A -2,0x10-4 -4,0x10-4 59 84,72 59 84,71 f / khz -6,0x10-4 -8,0x10-4 -1,0x10-3 -1,2x10-3 59 84,70 59 84,69 59 84,68-0,4-0,2 0, 0 0, 2 0,4 0,6 0, 8 1, 0 1,2 1,4 E / V vs. SCE
Meghatározó egyenletek
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
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
Szimulációs eredmények Cella feszültség / V 0,9 0,6 0,3 Mérés, intenzív használat után Szimuláció (1) Mérés, hosszú ideig pihentetett cellán Szimuláció (3) 1 2 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
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 Ai0 1 1 2 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
Tranziens viselkedés 0,9 Cell Voltage / V 0,8 0,7 0,6 215 216 217 218 219 time / s A felületi réteg (oxid) értelmezése szükséges
Tüzelıanyag-cella rendszerek a gépjármővek energia ellátásában
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
Tüzelőanyag-cella rendszer Inverter Fuel cell Akkumulátor Nagynyomású tank Hőtés Elektromotor Szabályzó
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
Direkt hajtás?
Technológia összehasonlítása Teljesítménysőrőség / W kg -1 Energiasőrőség / Wh kg -1 Chem. Rev, 104, 4245 (2004)
FC-SC működése
Hy-Go Projekt Direkt FC meghajtás Saját fejlesztéső áramlökés-álló membrán Nagyrészt Magyarországon gyártott termékekbıl
A rendszer optimalizálásának kérdései 900 800 700 Igényelt motor teljesítmény / W FC teljesítmény / W Kiegészítő Akku teljesítmény / W 600 Teljesítmény / W 500 400 300 200 100 0-100 0 5 10 15 20 25 30 Idő / perc
Légfelesleg és nyomás 5 4,95 2-szeres légfelesleg 3-szoros légfelesleg 900 880 Akkumulátor kapacitás / Ah 4,9 4,85 4,8 860 840 820 800 Hidrogén mennyiség / l 4,75 780 4,7 0 5 10 15 20 25 30 760
Üzlet-e a tüzelıanyag-cella?
Piaci helyzetkép - üzemanyagcellák
Üzemanyagcellák üzemanyaga Masdar az elsı megújuló energiákra épülı város (Egyesült Arab Emirátusok)
Technológiai kihívások Pt, Carbon korrózió, mérgezıdés Indítás, leállítás tranziensek Mikroplazmák kialakulása Membrán átlukadása Szabályozási problémák, vízkezelés Hőtési gondok Hidrogén infrastruktúra Költségek
Támogatóink Magyar Villamos Mővek STS-Group Zrt. NKTH
Köszönjük a figyelmet! Kapcsolat: Dr. Inzelt György inzeltgy@chem.elte.hu Elektrokémiai és elektroanalítikai laboratórium http://victor4.chem.elte.hu/ www.fuelcell.hu Kriston Ákos info@fuelcell.hu Szabó Tamás Alkalmazott Analízis tanszék http://www.cs.elte.hu/applanal/hun/index_hun.html szabot@cs.elte.hu
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, 2008. 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, 2008. 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, 2008. 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, 2007. 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, 2007. Kriston Á., Szabó T., Az üzemanyagcellák gyakorlati alkalmazásai. (lecture) Szent István Egyetem, Gyır, May, 2007. Kriston Á., Az üzemanyagcellák gyakorlati alkalmazásai. (lecture) First Hungarian Alternative Energy Claster, Budapest 13. December, 2006. Kriston Á., The Connection of Hydrogen and the knowledge based economy. (lecture) First Budapest International Hydrogen Energy Forum, 9-10 October, 2006. 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. 489-494, 2008. 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. 3. 2007, pp. 415-424 Faragó, I., Inzelt, G., Kriston, Á., Kornyik, M., Szabó, T., Tüzelıanyag-elem fejlesztés magyar szemmel. A Jövı Jármőve - Jármőipari Innováció. Vol. 3. No 1-2. 2007, pp. 62-65. Inzelt G., Régi-Új Áramforrások: A Tüzelıanyag-elemek. Fizikai Szemle 2004/8 252.