Nemzeti innováció a hazai e-mobilitásban Jedlik Ányos Klaszter Konferencia Budapest, 2014. december 2. Hidrogén tüzelőanyag-cellás járműhajtás az E-mobilitás szerves része Tompos András, Margitfalvi József, Hirth Ferenc
I. Tüzelőanyag-cellák működése Dr. Tompos András MTA TTK Anyag- és Környezetkémai Intézet
Mik azok a Tüzelőanyag-cellák? A tüzelőanyag-cellák olyan eszközök, amelyekben az anyagokban rejlő kémiai energia egy lépésben elektromos energiává és hővé alakul.
Mik azok a Tüzelőanyag-cellák? - A tüzelőanyag-cellában az áramtermelő folyamat valamilyen tüzelőanyag (többnyire hidrogén, metanol, etanol, butanol, metán) elektrokémiai oxidációja. - A tüzelőanyag-cellák annyiban különböznek a galvánelemektől, hogy működésük közben az áramtermelő reakcióban résztvevő anyagokat folyamatosan táplálják be, a keletkező termékeket pedig elvezetik, így, szemben a galvánelemekkel, nem "merülnek ki". - Tüzelőanyaggal kell feltölteni egy, a cellához kapcsolódó tartályt.
Tüzelőanyag-cella működése Katalizátor (anód) Proton vezető membrán Katalizátor (katód) Oxigén a levegőből Hidrogén betáplálás A víz távozik info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org Elektromos áram
Tüzelőanyag-cella felépítése
- Elektrokatalizátorok Anyagtudományi problémák A tüzelőanyag-cellák előállítási költségének jelentős részét teszi ki az elektrokatalizátorokban alkalmazott Pt ára. - Bipoláris lemezek A jelenleg kereskedelmi forgalomban kapható bipoláris lemezek nem gyárthatóak költséghatékonyan, mivel azokat csak lemez előgyártmányból marással tudják kialakítani - Polimer elektrolit membrán Protonvezetés - Áttörő anyagtudományi fejlesztések szükségesek Nagyáteresztő kísérleti eszközök és kombinatorikus módszerek alkalmazása
Elektrokatalizátorok tervezése - Nagyáteresztő optikai szűrés - Kinin indikátor - Metanol elektrooxidációja során H+ képződik: ph csökkenés - A kinin térszerkezete megváltozik a savas közegben és fluoreszkál az UV fényben - Fluoreszcens jel detektálása CCD kamerával
Protonvezető membránok tervezése Nagyáteresztő protonvezetőképesség mérés
II. Tüzelőanyag-cellák az E-mobilitásban Dr. Margitfalvi József Magyar Hidrogén és Tüzelőanyag-cella Egyesület
Tüzelőanyag-cella: elektrokémiai áramforrás Az előzőekben átfogó képet kaptunk a tüzelőanyag-cella (TC) működési elvéről. - A TC villamos áramot (DC) termel a HTC autó egy villamos hajtású jármű - COM(2010) 186 - Európai stratégia a tiszta és energia-hatékony járművekről - E-mobilitás EU-s értelmezése: tisztán akkumulátoros (BEV), tölthető hibrid (PHEV) és hidrogén tüzelőanyag-cellás jármű (FCEV = fuel cell electric vehicle) info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
Hogy lesz a tüzelőanyag-cellából hajtáslánc? Tüzelőanyag-cella TC köteg Hajtáslánc info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
Tüzelőanyag-cellás gépkocsi Elektromos szabályozás Hidrogén tartály FCEV = hibrid jármű: tüzelőanyagcella és akkumulátor Villany- motor Tüzelőanyagcella köteg +kiegészítők Akkumulátor Forrás: Honda Motor Co., Inc.
Tüzelőanyag-cella köteg és kiegészítők szerelése Forrás: Hydrogenics Inc. (Canada)
Tüzelőanyag-cella köteg és kiegészítők Forrás: Hyundai Motor, Inc.
Piaci tendenciák: FCEV járművek és H2 töltőállomások - ma már nem több évtizedes távlat (Hyundai ix35, 2014-2015) - Toyota Mirai (FCEV) kereskedelmi forgalomban: 2014 dec. 15(!): Japán 2015 ősz: USA, EU - további FCEV szereplők: Daimler-Mercedes, Honda, BMW, Nissan, Volvo 2015-2019 között fokozatos piacra lépés - FCEV főbb jellemzők: - hatótávolság 500+ km (Toyota Mirai: 650 km) - töltési idő: 3-5 perc (teljes tank, 700 bar) - zéró lokális kibocsátás (csak vízgőz) - közel zéró zajkibocsátás - hidrogén előállítás elektrolízissel: VER kiszabályozás segítése (pl. völgy időszak) - biztonságos(!) - hibrid jármű: kisebb akkumulátort tartalmaz - ár: megfizethető (~BEV) info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
Piaci tendenciák: FCEV járművek és H2 töltőállomások info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
H2 töltőállomások: a jelen és közeljövő tervei 2015 2015 végére Németországban 50 db H2 töltőállomás lesz. Jelenleg Európában több, mint 60 H2 kút működik, a legközelebbi Ausztriában (Bécs, Shuttleworthstraße). Európa jelenlegi legnagyobb H2 töltőállomása Hamburg belvárosában (HafenCity) biztonságos(!) Nagy-Britannia: 15 db H2 töltőállomás 2015 végéig 65 db H2 töltőállomás 2020 végéig 1150 db H2 töltőállomás 2030 Hydrogen mobility road maps: - Skandináv országok - Kalifornia / USA - Japán info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
Egyéb alkalmazási területek: HTC alapú anyagmozgatás Mercedes-Benz US International Inc. (Kalifornia, USA) ~200 db HTC targoncaflotta egyetlen telephelyén 14 db telephelyi hidrogén diszpenzer eddig 200 000 alkalommal hidrogén tankolás BMW: Spartanburg (South Carolina, USA) 230 db HTC targoncaflotta egyetlen telephelyén 8 db telephelyi hidrogén diszpenzer A világon jelenleg: ~1,5-2 millió (!) hidrogéntankolás/év biztonságosan
BEV vs. PHEV vs. FCEV?? Nem egymást kizáró alternatívák! Ezek a hajtásláncok bizonyos tekintetben egymással versengő megoldások, de alapvetően egymást kiegészítő, egymást segítő alternatívák. Konkrét példán bemutatva a jövőt: multi-energia töltőállomások, pl. Berlin, TOTAL töltőállomás Tankolható üzemanyagok: - benzin, dízel (esetleg: E85, CNG, LPG ) - villamos energia (gyorstöltővel is) - hidrogén Szereplők: - TOTAL Deutschland GmbH - Daimler AG - Linde AG - RWE Effizienz GmbH - Federal Ministry of Transport Átadási ceremónia, 2014.09. Kép: NOW GmbH.
Világcégek a HFC technológiákban Téves vélekedés: hidrogén és tüzelőanyag-cellás technológiákat, járműveket csak kis, amatőr, garázscégek fejlesztenek. A valóság: nagy világcégek invesztálnak HFC technológiákba Az FCH JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking) ipari tagjai például:
III. A KONTAKT-Elektro Kft. PEM típusú tüzelőanyag-cellákra épülő fejlesztéseinek bemutatása Hirth Ferenc Kontakt-Elektro Kft.
A CÉG BEMUTATÁSA A KONTAKT-Elektro Kft. fő tevékenységei a villamos berendezés gyártáshoz és az ipari elektronikához kötődnek. Közel 10 éve keltették fel a figyelmünket a tüzelőanyag-cellák. Stack és komponens, valamint alkalmazások fejlesztésébe is belekezdtünk. H 2 labor Telephelyünk info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
ALKALMAZÁS FEJLESZTÉS LEHETŐSÉGEI Szünetmentes tápegységek Kombinált hő-és áramfejlesztők Mobil alkalmazások Telepített áramforrások Hordozható áramforrások info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
TÜZELŐANYAG-CELLA HAJTÁSÚ ELEKTROMOS BICIKLI Demonstrációs projekt Műszaki paraméterek: Motor-teljesítmény: 250W Üzemanyagcella-teljesítmény: 400W H 2 palack-kapacitás: 2x300Nl Hidrogénfogyasztás: ~250Nl/h Üzemidő: ~2 óra Maximális sebesség: 20km/h Hatótávolság: ~60km (sík terepen) Súly: 55kg info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
HIDROGÉNÜZEMŰ ELEKTROMOS KISHAJÓ Műszaki paraméterek: A hajó mérete: 535 x 200 cm (hossz x szél) A hajó tömege: 250kg Szállítható személyek száma: 6 személy Maximális megengedett terhelés: 450kg Motorteljesítmény (névleges/csúcs): 2000/2500W Sebesség: ~8km/h Eredeti akkumulátortelep: 8db 6V / 220Ah Pb Eredeti akkumulátortelep össztömege: 250kg Üzemanyag-cellás tápellátás: FCS-3000-HYB Névleges teljesítménye: 2700W Fogyasztása @ 2400W: 2460liter/óra Onboard hidrogén mennyisége: 10800liter Hidrogénpalackok (cserélhetők): 6db 9liter@200bar Hidrogén-ellátó rendszer össztömege: 100kg info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
FC-UPS 2500 TÜZELŐANYAG-CELLÁS SZÜNETMENTES TÁPEGYSÉG 2500w teljesítmény hidrogén üzemanyag PEM tüzelőanyag-cella ultrakondenzátor puffer üzem közben növelhető áthidaló idő hosszú élettartam (UPS módban) környezetbarát csendes üzemelés széles hőmérséklettartomány nagy megbízhatóság távmenedzsment folyamatosan üzemeltethető info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
HI-ORCA Pécsi Tudomány Egyetem, Pollack Mihály Műszaki és Informatikai kar, Shell ECO Marathon csapata A KONTAKT-Elektro Kft. technikai támogatást nyújtott a tüzelőanyag-cella integrálásában. 2012 2013 2014 info@hfc-hungary.org + www.hfc-hungary.org
Köszönjük a figyelmüket! info@hfc-hungary.org www.hfc-hungary.org