Kovács Viktória Barbara Tüzelőanyag cellák Kovács Viktória Barbara Energetikai mérések II. (BMEGEENAEM2) Energetikai folyamatok és berendezések (BMEGEENAG71)

Kérdések Ismertesse a tüzelőanyag cella (PEM) működési elvét! Mik a tüzelőanyag cellák előnyei hátrányai Vázolja a tüzelőanyag cellás energiatermelő rendszer felépítését, ismertesse az egyes elemek szerepét! Milyen tüzelőanyag cella típusokat ismer? Ismertesse az egyes típusok tulajdonságait: - elektrolit, üzemanyag, hatásfok, üzemi hőmérséklet

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 hidrogén felhasználás eredményeképpen melléktermékként hő és víz keletkezik. Jelenlegi alkalmazások: járműhajtás (közúti), épületek energiaellátása, számítógépek működtetése.

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

Tüzelőanyag cellák Előnyök Hátrányok Magas és méretfüggetlen hatásfok (40..70%). A keletkező hő kogenerációban hasznosítható. Fajlagosan kis tömeg: 1 kg/kW. Nincs mozgó alkatrészek → hosszú élettartam, csendes, megbízható. 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 kibocsátás. Új technológia → kezdeti idegenkedés. Magas kezdeti költségek a piaci bevezetés szakaszában → kockázatos a befektetőknek. Hiányzó vagy fejletlen hidrogén infrastruktúra

Működési elv 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. 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 juthatnak csak el oda. Az elektronok mozgása villamos áramot és egyenfeszültséget eredményez. https://www.youtube.com/watch?v=pOtF-WvRpOM Fuel Cells part 2 _ University Of Surrey.mp4https://www.youtube.com/watch?v=qng8NZ7iwN8

Működési elv egyenáram oxigén víz elektronok hő protonok H2 2H+ + 2e- 1/2O2 + 2e- 1/2O2 2 - ~1,23 Volt membrán

Tüzelőanyag cellás rendszer felépítése Tüzelőanyag előkészítő (tisztító) elem Energiaátalakító (a tényleges tüa. cella) Áramátalakító (DC/AC konverter) Hőhasznosító (általában helyhez kötött Nagyhőmérsékletű technológiáknál) Oxigén (levegő) 3. INVERTER egyenáram váltóáram 2. TÜZ.A CELLA 1. termikus reformer tüzelőanyag H2-ben gazdag gáz víz tüzelőanyag átalakításhoz 4. hőhasznosító kogenerációhoz

1. 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. 2. Energiaátalakító egység tüzelőanyag cella A kémiai → villamos energiaátalakítás. A kémiai reakció eredményeképpen egyenáram jön létre.

3. 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.

4. 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.

Tüzelőanyag cella típusok Elektrolit szerint Tüzelőanyag szerint: polimer elektrolit membrános (PEMFC) ~80 °C foszforsavas (PAFC) ~200 °C alkáli (AFC) 80 - 100 °C folyékony karbonátos (MCFC) ~650°C szilárd oxidos (SOFC) csöves elrendezésű (TSOFC) 800°C közepes hőmérsékletű (ITSOFC) 1000 °C Direkt: hidrogén az anódhoz Indirekt: H-ben gazdag üzemanyag reformálva Regeneratív: a végterméket visszaalakítják és recirkuláltatják

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)

Polimer elektrolit membrán - PEMFC Más név: SPEFC (Solid Polymer Electrolyte Fuel Cells) Elektrolit: protoncserélő membránt alacsony hőmérsékletű cella (85..105 °C) Nafion® membrán (DuPont fejlesztés) mely politetrafluoretilén (PTFE, teflon) alapú szerkezetbe van ágyazva Anód: H2 → 2H+ + 2e- Katód: 1/2O2+ 2H+ + 2e- →H2O nagy teljesítménysűrűség (telj./tömeg) gyorsan indítható elsődlegesen a járműiparban hátrány: alacsony CO tolerancia (Pt méreg)

Polimer elektrolit membrán - PEMFC Fuel cell stack explained.mp4: https://www.youtube.com/watch?v=w5E_MAZdO-k

Foszforsavas - PAFC 100% töménységű H3PO4 SiC mátrixban, Pt katalizátorral Anód: H2 → 2H+ + 2e- Katód: 1/2O2+ 2H+ + 2e- → H2O magas hőmérséklet szükséges, mivel a H3PO4 rossz vezető CO<3..5 vol% vagy Pt „mérgeződik” PEM Fuel Cell_ How it works.mp4 https://www.youtube.com/watch?v=_MsG9REFN3s

Alkáli - AFC nagy töménységű KOH (35..85 m%) azbeszt mátrixban Anód: H2 + 2OH- → 2H2O + e- Katód: 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH- CO2 méreg: CO2 + KOH → K2CO3 megváltozik az elektrolit! magas hatásfok (~60%) hátrány: drága

Folyékony karbonátos - MCFC Alkáli karbonátok keveréke LiAlO2 kerámia mátrixban, magas hőmérséklet (600..800 °C) Anód: H2 + CO32- → H2O + CO2 + 2e- CO + CO32- → 2CO2 + 2e- Katód: ½ O2+ CO2 + 2e- → CO32- Ni (anód) és NiO (katód) reménytkeltő magas hatásfok (70..80%) tüz. anyag: H2, CO, földgáz, propán és gázolaj

Szilárd oxidos- soFC Kemény kerámia, általában: Y2O3-dal stabilizált ZrO2 Anód: H2 + O2- → H2O + 2e- CO + O2- → CO2 + 2e- CH4 + 4O2- → 2H2O + CO2 + 8e- Katód: ½ O2 + 2e- → O2- Co-ZrO2 vagy Ni-ZrO2 (anód) és Sr-mal szennyezett LaMnO3 (katód) Kétfajta geometriai kivitel: csöves (méteres csőkötegek) rétegelt lemezes nagy teljesítmények: (villamosenergia-ipar) SOFC Brennstoffzelle.mp4: https://www.youtube.com/watch?v=Itz2hJPP9l4

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.

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

Összehasonlítás - reakciók I - Cella típusa Rövid név Elektrolit tÜzemi (°C) Tüzelőanyag Oxidálószer Anód és Katód reakciók alkáli AFC 30% kálium-hidroxid oldat, gél 60-90 - tiszta H2 - O2 A: H2+2OH- 2H2O +2e- K: 1/2O2+H2O+2e-2OH- szilárd polimer SPFC, PEMFC protonáteresztő membrán 70-90 - O2, levegő A: H2 2H+ +2e- K: 1/2O2+2H++2e-2H2O direkt metanol DMFC 60-120 - metanol A: CH3OH + H2OCO2++6H+ +6e- K: 3/2O2+6H++6e-3H2O foszfor-savas PAFC tömény foszforsav ~220 olvadt karbonátos MCFC lítium-karbonát, kálium-karbonát ~650 H2, földgáz, széngáz, biogáz - levegő, O2 A: H2+CO32- H2O +CO2+2e- K: 1/2O2+CO2+2e-CO32- szilárd oxidos SOFC yttrium-cirkon oxidkerámia ~1000 A: H2+O2- H2O +2e- K: 1/2O2+2e-O2-

Összehasonlítás - reakciók II - fel nem használt tüzelőanyag fel nem használt O2 / levegő nagyhőmérsékletű szilárd oxidos SOFC H2/CO O2- O2 >800°C olvadt karbonát MCFC H2/CO CO32- O2 650°C foszfor- savas PAFC H2 H+ O2 200°C direkt metanol DMFC CH3OH H+ O2 60 – 120°C kishőmérsékletű polimer elektrolit PEMFC H2 H+ O2 < 90°C AFC O2 lúgos H2 OH- < 80°C tüzelőanyag O2 / levegő

Összehasonlítás II. - energetika - Cella típus Üzemi hőm., °C Nyomás, kPa Áramsűrűség, A/cm2 Feszültség, V alkáli 70 1 (101) 0,2 0,8 foszforsavas 190 0,324 0,62 205 8 (808) 0,216 0,73 olvadt karbonátos 650 0,16 0,78 szilárd oxidos 1000 0,66

Alkalmazás, teljesítmény, hatásfok Cella típus Alkalmazási terület Teljesítmény Hatásfok valós (elméleti) AFC (alkáli) Közlekedés Űrhajózás Hadászat Energiatárolás Kis teljesítmény 5..150 kW 62% (70%) PEMFC (polimer elektrolit) Kis teljesítmény 5..250 kW 50% (68%) DMFC (direkt metanol) Kis teljesítmény 5 kW 26% (30%) PAFC (forforsavas) Kombinált ciklusú erőmű Kis-közepes teljesítmény 50 kW..11 MW 60% (65%) MCFC (olvadt karbonátos) és közlekedés (vasút, hajó, …) Kis teljesítmény 100 kW..2 MW 62% (65%) SOFC (szilárd oxidos) Kis teljesítmény 100..250 kW

Egy tüzelőanyag elem hatásfoka A 25 kW-os PEMFC hatásfokai egyenáramú (DC) termeléshez hő 22,4 kW (42,6%) rendszer 4,5 kW (8,6%) hidrogénveszteség 0,5 kW (1%) hidrogén 52,5 kW (100%) nettó villany 25,1 kW (47,8%) bruttó villany 29,6 kW (56,4%)

Alkalmazás és teljesítmény tart

Alkalmazás Közlekedés Energiatárolás Kiserőművek Analitika

PEMFC a járműiparban

Hidrogén Tüzelőanyag cellák

Hidrogén-levegő víz keverék határok 100% 0% 42°C és 100 kPa mellett 80% 20% olvasási irány 60% 40% Robbanási terület vízgőz-tartalom levegőtartalom 40% 60% Gyulladási terület olvasási irány 20% 80% 0% 100% 100% 80% 60% 40% 20% 0% hidrogéntartalom olvasási irány

Hidrogén lehetséges előállítási útjai

Hidrogén tárolása – problémák Térfogat Tömeg Nyomás Hőmérséklet Nagy nyomás: mellett a tartályok anyagvizsgálata szükséges (hidrogéngáz miatti öregedés, a ciklikus használat miatti feszültségek). Cseppfolyósítás: alacsony hőmérsékletre hűtés (-239,9 °C-os) során az ortohidrogén jelentős része parahidrogénné alakul. Az átalakulás hőfelszabadulással járna, ezért katalizátorokat kell alkalmazni. Szilárd mátrixok: a technikai H-abszorbens ötvözeteket aktiválni kell (hőkezelés, vagy hosszú ideig nagy hidrogénnyomás, esetleg mindkettő), elő kell készíteni a feltöltési/kiürítési ciklusokra. Hidrogén gáz (298 K, 25 °C) 0,01 mol H2/cm3 200 bar Cseppfolyós hidrogén (21 K, -252 °C) 0,0708 g/cm3 1 bar Szilárd mátrix (298 K, 25 °C) pl. LaNi5H6 0,05 mol H2/cm3 2 bar Szilárd mátrix (65 K, -208 °C) 0,01 mol H2/cm3 70 bar

H2 töltőállomások Németroszágban

H2 töltőállomások Európában Source: http://www.tuev-sued.de/tuev-sued-konzern/presse/pressearchiv/weltweit-92-neue-wasserstoff-tankstellen-im-jahr-2016

H2 töltőállomások A világon Source: http://www.tuev-sued.de/tuev-sued-konzern/presse/pressearchiv/weltweit-92-neue-wasserstoff-tankstellen-im-jahr-2016

Források Stróbl Alajos: Hidrogén az energiagazdálkodásban, ENERGOexpo - Útkeresés, Debrecen, 2008. szeptember 24. Dőry Zsófia: Hidrogén – a jövő energiahordozója, Energo Expo, Debrecen 2008. http://www.foek.hu/korkep/enhat/uzemanyagcella/uzemanyagcella.html Kriston Ákos, Inzelt György: Protoncserélő membrános hidrogén – levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása, MET Hidrogén Tagozat, Tüzelőanyag-cella workshop, 2009. Március 3. előadás anyag: A hidrogén előadás anyag: Tüzelőanyag cellák és hidrogén technológia,

Tüzelőanyag cellás bemutató O2 H2 H2 O2 𝜂 𝐻 2 0 ml 0 ml H2 O2 𝜂 𝑃𝐸𝑀 Áramforrás digitális multiméter DC U digitális multiméter DC A Ellenállás izzó 10 A U 10 1 motor 5

Mért mennyiségek H2 [ml] time[s] 𝑉 𝐻 2 [ml/s] 𝑃 𝐻 2 [W]     I in [A] U in [V] I out [A] U out [V] R in [Ω] R out [Ω] P in [W] P out [W] ηH2 [%] ηPEM [%] ηΣ [%] 1 𝐹 𝐻 2 =9,9 [ 𝑀𝐽 𝑚 3 ], 𝑃 𝐻 2 = 𝐹 𝐻 2 ∙𝑉 𝐻 2 , 𝑅= 𝑈 𝐼 , 𝑃=𝑈∗𝐼 , 𝜂 𝐻 2 = 𝑃 𝐻 2 𝑃𝑏𝑒 , 𝜂 𝑃𝐸𝑀 = 𝑃𝑘𝑖 𝑃 𝐻 2 , 𝜂 ö = 𝑃𝑘𝑖 𝑃𝑏𝑒

Köszönöm a figyelmet! ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/Energetikai_folyamatok_es_berendezesek_BMEGEENAG71/Eloadasok/Tuzeloanyag_cellak_2017.pptx