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
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
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
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
Szabályozási problémák Teljesítménysőrőség / W kg -1 Energiasőrőség / Wh kg -1 Chem. Rev, 104, 4245 (2004)
Direkt hajtás?
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 Faragó István, Szabó Tamás Alkalmazott Analízis tanszék http://www.cs.elte.hu/applanal/hun/index_hun.html szabot@cs.elte.hu