Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Tüzelőanyag cellák és hidrogén technológia. Bevezetés  A tüzelőanyag cella olyan berendezés, mely üzemanyagul hidrogént vagy hidrogénben gazdag anyagot.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Tüzelőanyag cellák és hidrogén technológia. Bevezetés  A tüzelőanyag cella olyan berendezés, mely üzemanyagul hidrogént vagy hidrogénben gazdag anyagot."— Előadás másolata:

1 Tüzelőanyag cellák és hidrogén technológia

2 Bevezetés  A tüzelőanyag cella olyan berendezés, mely üzemanyagul hidrogént vagy hidrogénben gazdag anyagot használt fel, amit elektrokémiai folyamat során közvetlenül villamos energiává alakít át.  A hidrogénfelhasználás eredményeképpen melléktermékként hő és víz keletkezik.  Jelenlegi alkalmazások: járműhajtás (közúti), épületek energiaellátása, számítógépek működtetése.

3 Miért használjunk tüzelőanyag cellát?  a környezetszennyezés csökkentése  az egyoldalú energiahordozó függés csökkentése  a globális felmelegedés lassítása  az energiaválságok megelőzése érdekében

4 Miért?

5 Előnyök  A folyamat során nagyon kevés üvegházhatású gáz képződik.  Nem keletkeznek toxikus vagy egyéb egészség- és környezetkárosító szennyezőanyagok.  Tiszta hidrogén felhasználása esetén csak hő és víz kerül kibocsátásra.  Nincsenek mozgó alkatrészek → hosszú élettartam, csendes, megbízható.  Magas és méretfüggetlen hatásfok (40..70%, nincs Carnot- limit).  A keletkező hő kogenerációban hasznosítható.  Fajlagosan kis tömeg: 1 kg/kW.

6 Hátrányok  Új technológia → kezdeti idegenkedés.  Magas kezdeti költségek a piaci bevezetés szakaszában → kockázatos a befektetőknek.  Hiányzó vagy fejletlen hidrogén infrastruktúra.

7 Hogyan működik?  A tüzelőanyag cella hidrogén üzemanyag és oxigén felhasználásával elektrokémiai folyamat keretében villamos energiát ad.  Az egyszerű tüzelőanyag cella a két vékony és porózus elektród (anód és katód) között szendvicsszerűen elhelyezkedő elektrolitból áll.

8 Hogyan működik? oxigén protonok elektronok membrán membrán egyenáram e e e e e víz hő e H 2 2H + + 2e - 1/2O 2 + 2e - 1/2O ~1,23 Volt

9 Működési elv  A hidrogén vagy a hidrogénben gazdag üzemanyag az anódon a katalizátor hatására szétválik e - -ra és p + -ra.  A katódon az oxigén az elektronokkal és a protonokkal (vagy más ionokkal) egyesülve vizet produkál (vagy mást is).  Az anódon leválasztott elektronok nem képesek a membránon áthatolni, ezért az áramkörön keresztül jthatnak csak el oda.  Az elektronok mozgása villamos áramot és egyenfeszültséget eredményez.

10 Történeti áttekintés  1839 Sir William Grove a víz elektrolízise, a tüzelőanyag cella „atyja”  1889 Ludwig Mond és Charles Langer az első működő berendezés Pt katalizátorral  1932 Francis Bacon alkáli elektrolit és Ni elektród  NASA űrkutatás  jelen: katonai alkalmazás

11 Tüzelőanyag cella felépítése  A legtöbb cella négy alapelemből áll: tüzelőanyag előkészítő (tisztító) elem energiaátalakító (a tényleges tüa. cella) áramátalakító (DC/AC konverter) hőhasznosító (általában helyhezkötött nagyhőmérsékletű technológiáknál)

12 Tüzelőanyag cellás rendszer INVERTER H 2 -ben gazdag gáz tüz. anyag hőhasznosító tüzelőanyag átalakításhoz kogenerációhoz TÜA CELLA termikus reformer oxigén (levegő) váltóáramegyenáram víz

13 Tüzelőanyag előkészítő egység  Elvégzi a tüzelőanyag átalakítását, ill. tisztítását.  Ha a tüzelőanyag hidrogén, csak tisztítás szükséges.  Folyékony tüzelőanyag (metanol, etanol, benzin stb.) esetén azt termikus reformáció útján gáz alakú szénhidrogénekké alakítja.

14 Energiaátalakító egység  A kémiai → villamos energiaátalakítás.  A kémiai reakció eredményeképpen egyenáram jön létre.

15 Áramátalakító és szabályozó  Feladata a tüzelőanyag cella és a hálózat, ill. fogyasztó közötti szabályozott és egyenletes villamos kapcsolat fenntartása.  Elvégzi a termelt egyenáram váltóárammá alakítását.  Szabályozza az áramerősséget, feszültséget, frekvenciát és egyéb jellemzőket az igényeknek megfelelően.

16 Hőhasznosító egység  Nincs mindig jelen, mivel nem elsődleges hőforrás.  Nagyhőmérsékletű cellák esetén kapcsolt energiatermelésre alkalmas gőz előállítása vagy közvetlen gázturbinás felhasználás.  Az eredő hatásfok javítható a hőhasznosítással.

17 Tüzelőanyag cella típusok (tüz. anyag)  Direkt hidrogén az anódhoz  Indirekt H-ben gazdag üzemanyag → reformáció  Regeneratív a végterméket visszaalakítják és recirkuláltatják

18 Tüzelőanyag cella típusok (elektrolit)  polimer elektrolit membrános (PEMFC) ~80 °C  foszforsavas (PAFC) ~200 °C  alkáli (AFC) °C  folyékony karbonátos (MCFC) ~650 °C  szilárd oxidos (SOFC) csöves elrendezésű (TSOFC) 800 °C közepes hőmérsékletű (ITSOFC) 1000 °C

19 Direkt tüzelőanyag cellák  hidrogén-oxigén cellák  leginkább az űrprogramban használták  hidrogén és oxigén is gáz  kis mennyiségű nemesfém katalizátor  alacsony hőmérséklet, nincs hőhasznosítás  iható víz melléktermék (űrhajózás)

20 Polimer elektrolit membrán (PEMFC)

21 PEMFC  hívják még: SPEFC (Solid Polymer Electrolyte Fuel Cells)  protoncserélő membránt használ elektrolitként  alacsony hőmérsékletű cella ( °C)  Nafion ® membrán (DuPont fejlesztés) mely politetrafluoretilén (PTFE, teflon) alapú szerkezetbe van ágyazva

22 PEMFC  Anód: H 2  2H + + 2e -  Katód: 1/2O 2 + 2H + + 2e -  H 2 O  nagy teljesítménysűrűség (telj./tömeg)  gyorsan indítható  elsődlegesen a járműiparban  hátrány: alacsony CO tolerancia (Pt méreg)

23 PEMFC a járműiparban

24 foszforsavas (PAFC)

25  100% töménységű H 3 PO 4 SiC mátrixban, Pt katalizátorral  Anód: H 2  2H + + 2e -  Katód: 1/2O 2 + 2H + + 2e -  H 2 O  magas hőmérséklet szükséges, mivel a H 3 PO 4 rossz vezető  CO<3..5 vol% vagy Pt „mérgeződik”

26 alkáli (AFC)

27 AFC  nagy töménységű KOH ( m%) azbeszt mátrixban  Anód: H 2 + 2OH -  2H 2 O + e -  Katód: 1/2O 2 + H 2 O + 2e -  2OH -  CO 2 méreg: CO 2 + KOH → K 2 CO 3 megváltozik az elektrolit!  magas hatásfok (~60%)  hátrány: drága

28 folyékony karbonátos (MCFC)

29 MCFC  alkáli karbonátok keveréke LiAlO 2 kerámia mátrixban,  magas hőmérséklet ( °C)  Anód: H 2 + CO 3 2-  H 2 O + CO 2 + 2e -  Anód: CO + CO 3 2-  2CO 2 + 2e -  Katód: 1/2O 2 + CO 2 + 2e -  CO 3 2-  Ni (anód) és NiO (katód)  reménytkeltő magas hatásfok (70..80%)  tüz. anyag: H 2, CO, földgáz, propán és gázolaj

30 szilárd oxidos (SOFC)

31 SOFC  kemény kerámia, általában: Y 2 O 3 -dal stabilizált ZrO 2  Anód: H 2 + O 2-  H 2 O + 2e -  Anód: CO + O 2-  CO 2 + 2e -  Anód: CH 4 + 4O 2-  2H 2 O + CO 2 + 8e -  Katód: 1/2O 2 + 2e -  O 2-  Co-ZrO 2 vagy Ni-ZrO 2 (anód) és Sr-mal szennyezett LaMnO 3 (katód)  Kétfajta geometriai kivitel: csöves (méteres csőkötegek) rétegelt lemezes  nagy teljesítmények (villamosenergia-ipar)

32 Direkt metanolos cellák  A cella tiszta metanollal üzemel, melyet gőzzel keverve juttatnak az anódhoz.  Nincs tárolási probléma a metanol nagy energiasűrűsége miatt.  A metanol könnyen szállítható és szétosztható a meglévő rendszerekben.  Hátránya: új, nem eléggé elterjedt technológia.

33 Regeneratív cellák  Hagyományos hidrogén-oxigén cella, ahol víz is keletkezik.  A keletkező vizet más forrásból (pl. napcella) származó energiával ismételten szétbontják.  Új technológia → még nem teljesen kiforrott.  Elsősorban az űrhajózásban alkalmazzák, mivel ott nincs vízutánpótlás.

34 Összehasonlítás: reakciók Cella típusa Rövi- dítés Üzemi hőm. tart. (°C) Anód reakció Katód reakció alkáliAFC60-90H 2 +2OH -  2H 2 O +2e - 1/2O 2 +H 2 O+2e -  2OH - szilárd polimer SPFC, PEMFC 70-90H 2  2H + +2e - 1/2O 2 +2H + +2e -  2H 2 O direkt metanol DMFC60-120CH 3 OH + H 2 O  CO 2+ +6H + +6e - 3/2O 2 +6H + +6e -  3H 2 O foszfor- savas PAFC~220H 2  2H + +2e - 1/2O 2 +2H + +2e -  2H 2 O olvadt karbonátos MCFC~650H 2 +CO 3 2-  H 2 O +CO 2 +2e - 1/2O 2 +CO 2 +2e -  CO 3 2- szilárd oxidos SOFC~1000H 2 +O 2-  H 2 O +2e - 1/2O 2 +2e -  O 2-

35 Összehasonlítás: energetika Cella típusÜzemi hőm., ° C Nyomás, kPa Áramsűrűség, A/cm 2 Feszültség, V alkáli701 (101)0,20,20,80,8 foszforsavas1901 (101)0,3240,62 foszforsavas2058 (808)0,2160,73 olvadt karbonátos 6501 (101)0,160,78 szilárd oxidos (101)0,20,20,66

36 Alkalmazás és teljesítmény tart. Cella típusAlkalmazási területTeljesítmény AFC (alkáli) Közlekedés Űrhajózás Hadászat Energiatárolás Kis teljesítmény kW PEMFC (polimer elektrolit) Kis teljesítmény kW DMFC (direkt metanol) Kis teljesítmény 5 kW PAFC (forforsavas) Kombinált ciklusú erőműKis-közepes teljesítmény 50 kW..11 MW MCFC (olvadt karbonátos) Kombinált ciklusú erőmű és közlekedés (vasút, hajó, …) Kis teljesítmény 100 kW..2 MW SOFC (szilárd oxidos) Kis teljesítmény kW

37 Alkalmazás Energiatárolás Közlekedés Kiserőművek

38 Üzemanyag: szoláris hidrogén Milyen eljárással? H2H2 Termokémiai Fotokémiai Fotoelektrokémiai Fotobiológiai Fotovillamoselektrolízis

39 Termokémiai eljárás Magas hőmérsékleten történő vízbontás H 2 O → H 2 + ½O 2 szükséges: 2500 °C. Korlátok, problémák: csak a víz 10%-a bontható gyorsan rekombinálódik → azonnali szétválasztás magas hőmérséklet → drága szerkezeti anyagok

40 Termokémiai eljárás Megoldás: több lépcsőben, alacsony hőmérsékleten kén és jód használatával H 2 SO 4 → ½O 2 +SO 2 +H 2 O 830 °C H 2 SO 4 + 2HI ← I 2 +SO 2 +2H 2 O 120 °C ½O2½O2 H2OH2O H 2 SO 4 (H 2 O)H 2, SO 2, H 2 O 2HI → I 2 +H °C H2H2 I 2 (H 2 O) 2HI (I 2, H 2 O)

41 ZnO-os eljárás Termokémiai konverzió kvarcüveg ZnO réteg forgó kamra gáz elvezetés ZnO Zn hűtő

42 ZnO-os eljárás

43 Fotoelektrokémiai eljárás foto-anód katód R Na 2 SO 4 foton (f) 2H + +2e - →H 2 H+H+ e-e- H 2 O+(f)→2H + +½O 2

44 Fotoelektrokémiai eljárás Jellemzők és feltételek  jó fényabszorbciós tulajdonságok (energiarés: 1,6..2,2 eV)  korrózió elleni védelem (a félvezetők többsége vízben instabil)  az energiaigények (e - emisszió és rekombináció közel azonos legyen)  elektródák: WO 3, Fe 2 O 3, AgCl, TiO 2, GaInP 2 …

45 PV + elektrolízis Elektrolízis: H 2 O → H 2 + ½O 2 1,23 V Korlátok és feltételek  magasabb feszültség a veszteségek miatt  általában: 1,6..1,9 V  elektrolizálók hatásfoka: %  PV cella hatásfoka: ~15%  eredő hatásfok: ~12%

46 Elektrolízis Villamos energia hagyományos erőműből erőműhatásfok: 45% szállítás és transzformáció: 80% elektrolízis: 80% előállítás: 29% tüzelőanyag cella: 70% jármű mechanikai hatásfoka: 80% eredő (jármű): 16% (felülbecslés!) Belsőégésű motorral: ~25%


Letölteni ppt "Tüzelőanyag cellák és hidrogén technológia. Bevezetés  A tüzelőanyag cella olyan berendezés, mely üzemanyagul hidrogént vagy hidrogénben gazdag anyagot."

Hasonló előadás


Google Hirdetések