Megújuló energiák villamos rendszerei (BMEVIVEM262)

Megújuló energiák villamos rendszerei (BMEVIVEM262) Prof. Dr Vajda István BME Villamos Energetika Tanszék TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048 A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg

2. fejezet Tüzelőanyag-cellák (Kémiai-villamos generátorok)

1. rész Előszó és bevezető

3

Prof. Dr. Vajda István: Tüzelőanyag-cellák

Megújuló energetika...MSc

Előszó  A „Közvetlen energiaátalakítók” című tantárgyat az 1970-es évek

   

4

elején Dr. Retter Gyula tanszékvezető egyetemi tanár felkérésére Dr. Lukács József akadémikus, akkor a Villamosipari Kutatóintézet (VKI) igazgatója vezette be a Villamosmérnöki Kar erősáramú szak oktatásába. A tantárgy oktatásába a 80-as évektől bekapcsolódott jelen tantárgy szerzője, Vajda István is. Idővel a tematika kibővült a szupravezetők erősáramú alkalmazásaival kapcsolatos fejezettel. Ennek okán a tantárgy nevét„Szupravezetők és közvetlen energiaátalakítók alkalmazása” névre változtattuk. Több, mint huszonöt éven át ezen a néven, frissített tartalmakkal került előadásra hallgatók nemzedékei számára.



Előszó  A VKI annak idején nemzetközi szinten versenyképes kutatásokat

folytatott és elismert megvalósításokkal rendelkezett fény- és hővillamos generátorok, tüzelőanyag-elemek és magnetohidrodinamikai elven működő eszközök témákban.  Jelen fejezet különleges helyet tölt be: Lukács akadémikus

hozzájárulásai előtt tiszteletet adva – rövidítve - megőriztük eredeti tartalmában, formájában, akadémikus úr eredeti, saját kezű rajzaival illusztrálva.  A tüzelőanyag-elemek jelentős fejlődésen mentek keresztül az elmúlt

évtizedekben. Az új fejlesztési és alkalmazási eredményeket, a fejlődés tendenciáit az előadás-sorozatban kifejtjük.  Az alapok: a fizikai és elektrokémiai elvek és koncepciók, akadémikus úr

különleges figyelme és törekvése a technológiára és a mérnöki megvalósításra – ma is érvényesek és útmutató jelentőségűek.

5



Bevezetés  Mint az előadás során többször is említettük, a

közvetlen energiaátalakítás címszóban hallgatólagosan a különféle energiák villamos energiává történő átalakítását értjük. Mind a magneto-hidrodinamikus, mind a termovillamos generátoroknál a tüzelőanyagok kémiai energiájának átalakítása villamos energiává hő közbeiktatásával történik.

6



Bevezető  Tulajdonképpen egyedül a tüzelőanyag-elemek

azok, amelyek képesek a felhasználásra kerülő tüzelő– és a vele reakcióba lépő anyag kémiai energiáját közvetlenül villamos energiává alakítani.  Ezeket az átalakítókat „kémiai-villamos generátorok”-nak is nevezhetnénk.  Ezeket az eszközöket egyszerűségük és kitűnő hatásfokuk miatt különös figyelemmel kell kezelni. 7



2. rész Történeti áttekintés

8



A kezdetek  A tüzelőanyag elemek fejlődésének kezdetét az 1840-

es évekre kell tennünk, amikor is  H. Davy szénnel és salétromsavval primitív tüzelőanyag

cellát,  Growe pedig 1839-ben az ábrán látható hidrogén–oxigén cellát valósította meg,  amelyen a mai modern tüzelőanyag

elemek minden lényeges része megtalálható.

9



A probléma lényege  Érdekes, hogy a probléma lényegét ő is felismerte,

amikor jegyzeteiben ezt írta:  „Valószínű, hogy a kémiai vagy katalitikus hatás ott

történik meg, ahol a folyadék, a gáz és a platina a folyadék felszínén találkozik, és legfőbb cél az, hogy minél több ilyen működő felületet alkossunk”.  1890

körül L. Mond és C. Langer olyan tüzelőanyag cellát szerkesztett, amely 66 mA/cm2 terhelhetőségű volt.  A dinamó gyors fejlődése nevezettek munkáját háttérbe szorította. 10



A huszadik század közepe  Az 1940-es években  Berl nyilvánosságra hozta a szén–oxigén elektród

mechanizmusát  Justi pedig Németországban dolgozott terhelhetőségű porózus fémelektródákon.

nagy

 A

leglényegesebb fejlődést Bacon 1954-ben végzett munkát adta a tüzelőanyag elemek számára, mely nagy nyomású típust a fejezetünk végén részletesen is ismertetünk.

11



Huszadik század  Az 1960-as évek óta részben űrlaboratóriumok,

részben űrhajók számára számos tüzelőanyag elem típust dolgoztak ki és az ezen a területen dolgozó kutatók száma is több százra tehető.  1983-ban New-Yorkban a 4 MW-os tüzelőanyag erőmű került üzembe, amely inverterrel kapcsolódik a new-yorki 60 periódusú hálózathoz.

12



3. rész Néhány gondolat a molekuláris reakciók dinamikájára, valamint az impulzusvektor eloszlására vonatkozóan.

13



A gondolat háttere  Az alábbiak lényegében a molekuláris

reakciókinetikai meggondolások, amelyek az egyes molekulák által nyert transzlációs energiára és az impulzuseloszlásra vonatkoznak.

14



Mi a hiba a hőerőgépekben?  Hőerőgépeinkben lényegében azt a hibát követjük

el, hogy  a tüzelőanyagokat az oxigénnel belsőségesen

keverjük,  az égőanyag kémiai energiáját felszabadítjuk, illetve  a végbemenő oxidációs reakció után a végtermék molekuláinak (H2O, Co2, Co) megnövekedett transzlációs, vibrációs és rotációs energiáját használjuk fel.

15



Mi a hiba a hőerőgépekben?  A hiba ott van, hogy ez az energia most már teljesen

rendezetlen, molekuláris mozgás formájában jelenik meg.  A molekulák impulzuseloszlását az impulzustérben impulzusgömb jellemzi.  A rendezetlen mozgásból kívánunk azután

mechanikus dugattyúmozgást, illetve turbinalapát mozgást kapni.

16



Az irányított égés koncepciója  Részben a tüzelőanyag-elemekben lejátszódó

oxidációs folyamatok, részben egyéb molekuláris reakciók tanulmányozása arra enged következtetni, hogy  amennyiben a tüzelőanyag molekuláit valamilyen módon a

kémiai reakció megtörténte előtt rendezni tudjuk, és ugyanígy,  ezekhez geometriailag helyesen hozzárendeljük az oxigénmolekulákat, várható, hogy  a végtermék molekulák a reakció pillanatában nem gömbszerű impulzuseloszlást mutatnak az impulzustérben.

17



Az irányított égés koncepciója  Ez az eljárás olyan különleges helyzetet

produkálhat, amelynél  az ábrának megfelelően a hengerfejen és a

dugattyún magasabb hőmérséklet értékek és magasabb nyomásértékek lépnek, ugyanakkor  a hengerfalon, az ellipszoid kis tengelyeinek irányában, alacsonyabb hőmérséklet, alacsonyabb nyomás keletkezhet.

18



Az irányított égés koncepciója  Nem szabad elfelejtkeznünk arról, hogy ez a

nemegyensúlyi állapot csak a reakció pillanatában áll fenn.  Az irányított impulzusok normál gáznyomások mellett néhányszor 10-10 másodperc alatt, a vibrációs mozgások pedig ennél valamivel hosszabb idő alatt termikus eloszlásúvá válnak.  Szükségesnek látszik tehát ezeket az erőket a reakció pillanatában ható erőként hasznosítani.

19



4. rész A működés alapjai

20



A működés fizikai alapelvei  A

tüzelőanyag elem működése kísérletileg könnyen bemutatható. Nem kell mást tenni, mint kénsavas vízbe két darab porózus szénlemezt belemeríteni és a vizet elektrolizálni.  Néhány perc után a lemez pórusaiban, illetve felületén oxigén és hidrogén fejlődik.  Az áramforrásról a lemezeket le–és terhelő áramkörre átkapcsolva néhány másodpercig villamos energiát nyerhetünk, miközben a lemezeken lévő hidrogén és oxigén az elektroliban vízzé egyesül. 21



A tüzelőanyag-elem koncepció  Amennyiben

a lemezekre az oxigén és hidrogéngáz jutását csővezetéken permanensen biztosítjuk – állandóan működő kémiai áramforrást nyerünk.  Ez a kémiai áramforrás a tüzelőanyag elem.  Az előbbiekben azt mondottuk, hogy a lemezek pórusaiba juttatott hidrogén és oxigén – miközben a tüzelőanyag elem villamos teljesítményt ad le – vízzé egyesül.

22



Az irányított égés koncepciója  Vizsgáljuk

meg azon különbségét, amikor

két

eljárás

alapvető

 hidrogén– és oxigéngázt egy belső égésű motor hengerében

égetünk el vízzé és  ugyanezt az elégetést a jelenleg vizsgált tüzelőanyag elem működési feltételei között valósítjuk meg.

 A benzinmotor hengerében az égő anyagot, a

hidrogént és az égést tápláló anyagot az oxigént intimen összekeverjük és ennek következményeképpen az égő anyag elektronjai közvetlenül mennek át az oxigén atomokhoz, ill. molekulákhoz (v.ö. ábra)

23



Robbanómotor  Ezen átmenettel – azaz oxidációval – végtermék

molekulák termikus sebességét kb. 30-szorosra növeltük.  A nagy sebességű molekulák ezen rendezetlen mozgásából, ill. impulzusából fedezi a motor dugattyúja, esetleg a turbina lapátja az utóbbi alkatrészek lineáris mozgását.

24



Az átalakítás hatásfoka  Az egész rendszer átalakítási hatásfokát az a

termodinamikai elv szabja meg, amelynél a rendszer kezdő- és végállapotának rendezetlenségi foka: 𝑄1 𝑄2 𝑆1 = , illetve 𝑆2 = 𝑇1 𝑇2  legkedvezőbb esetben azonos maradhat, de általában nő.  Ezen elvet a Carnot- hatásfok önti számszerű alakba. 25



És a tüzelőanyag-elemben?  Mi történik a tüzelőanyag elemben?

 Az ábrának megfelelően olyan elrendezést

alakítunk ki, amelynél az égő anyag és az oxidáló anyag molekuláit nem engedjük keveredni.

 Induljunk az anód

lemezről, melyre a jelen példában hidrogén molekulákat juttatunk. 26



És a tüzelőanyag-elemben?  A katalizátort tartalmazó anódnak olyan tulajdonsága

van, hogy a hidrogén molekuláról, illetve atomokról  az elektronokat leválasztva, azokat egy külső, fémes

villamosan vezető körbe tereli,  a hidrogén ionokat pedig az elektrolitbe jutattja.  Az elektronok a külső villamos ellenálláson át eljutnak

a katód oldalra, ahol  az ott képződő oxigén ionok elektron hiányát betöltik és

 az elektroliton át eljuttatott hidrogén ionokat igénybe

véve, neutrális vízmolekulákat képeznek.

27



Az átalakítás hatásfoka  Amíg a termodinamikai égetésnél a hidrogén

égési hőjének alig 25-30%-át nyerhetjük meg mechanikai munkaként,  addig a tüzelőanyag elemben a hidrogén kémiai energiájának 80%-át is megkaphatjuk villamos energia formájában.  Láthatjuk hogy, a hidrogén két fajta égetési módszere között hatásfok szempontjából alapvető különbség van.

28



Termodinamika és…  A következőkben a tüzelőanyag működéséről

elmondottakat vizsgáljuk meg részletesebben részben termodinamikai, részben elektrokémiai szempontból.  Helyezzünk egy kaloriméter belsejébe olyan edényt, amelyben réz-szulfát oldat van és ebbe az oldatba merítsünk cinkrudat (ábra).

29



… elektrokémia  Azt fogjuk tapasztalni, hogy a cinkrúdon vörösréz

lerakódás lesz,  ugyanakkor azonban a szulfát ion tartalom (SO4)nem változik.  A CuSO4+Zn  ZnSO4+Cu, illetve ionok szempontjából írva fel az egyenletet: ++ 𝐶𝑢++ + 𝑍𝑛 → 𝐶𝑢 + 𝑍𝑛 𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑜𝑛

30



Áramtermelés  Ez utóbbi az áramtermelő folyamat.

 Q=ΔH=231 KJ/mól hőmennyiséget fogunk mérni.  Meg kell jegyeznünk, hogy  az atomonként 2 elektron a cink atomtól önként

ment át a réz ionra, mint ahogy pl.  a hő is magasabb hőfokú testről önként áramlik át alacsonyabb hőfokú testre.  A tapasztalat azt bizonyítja, hogy minden önként

végbemenő fizikiai folyamat munkavégzésre használható fel. 31


általában


Mi szükséges a munkavégzéshez?  A

felhasználáshoz általánosságban berendezés szükséges.  Az előbbi kísérletünben az elektronok a cinktől közvetlenül jutottak át a réz ionokhoz és az elektron áramlást így nem tudtuk munkavégzésre felhasználni.  Változtassuk meg a kaloriméterben lévő berendezést úgy, hogy  az edényt válasszuk ketté szemipermeábilis hártyával úgy,

hogy  az egyik oldalon rézrúd merüljön rézszulfát oldatba,  a másik oldalon pedig cinkrúd merüljön cinkszulfát oldatba. 32



Mi szükséges a munkavégzéshez?  A cink–és rézrudat egy ellenálláson át a

kaloriméter belsejében kössük össze.

33



Mi szükséges a munkavégzéshez?  Ebben az elrendezésben két folyamat zajlik le.  A cink az oldatba jutván 2 elektront ad a külső áramkör számára, az oldat számára pedig 2 pozitív töltésű cink iont.  Az így felszabaduló elektronok a külső áramkörön át juthatnak csak egy második folyamat színhelyére, ahol is az ábra szerinti baloldali részben – a rézrúdra jutó 2 elektron a rézszulfát oldatban lévő réz ionokat fémes rézként a rézrúdra leválasztja.  A folyamat közben a kaloriméterben

fejlődött hő ismét 231 kJ/mól érték lesz.

34



Mi szükséges a munkavégzéshez?  Az ábrának megfelelően végezzük el a kísérletet

úgy, hogy az ellenállás a kaloriméteren kívül legyen.  Azt tapasztaljuk, hogy  az ellenálláson 211 kJ/mól

villamos teljesítményt nyerhetünk,  a kaloriméterben pedig 20,1 kJ/mól meleg fog fejlődni.

35



Megvan a munkavégzés  Hangsúlyozni kívánjuk, 20,1 kJ/mól nem Joule

hő, hanem a rendszer belső energiájának egy része.  A külső hasznos munka az előbbinek közel 10szerese.  Számítsuk ki most már számszerűen, hogy milyen összefüggés van az elem belsejében maradó hőenergia és az elektrokémiai cella által adott energia között. 36



Főtétel  Termodinamikai alapfogalmak között ismeretes,

hogy ha Q hőmennyiség megy át T2-ről T1 hőfokra, akkor a II. főtétel szerint a nyerhető mechanikai munka 𝑇2 − 𝑇1 𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ = −𝑄 𝑇2 értékű.  A mechanikai munkává át nem alakult hő természetesen T1 hőfokon megjelenik.

37



Még főtétel  Az

elektrokémiai folyamatok, mint tudjuk, állandó hőfokon zajlanak le.  A kémiai folyamatokkal közvetlenül végzett munka elsősorban a kémiai energia csökkenéséből – a belső energia egy része – származik.  Tételezzük fel, hogy a hőfok változás igen kicsi: ΔT és jelöljük úgy, hogy T2=T+ΔT és T1=T akkor ∆𝑇 ∆𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ = 𝑄 𝑇 38



…és még… ∆Lmech 𝑄 ∆𝐿𝑚 𝑄=𝑇 − = ∆𝑆 = ∆𝑇 𝑇 ∆𝑇  Az I. főtétel szerint a belső energia ∆𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ ∆𝑈 = 𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ + 𝑄 = 𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ − 𝑇 ∆T ∆𝑊𝑚 𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ = ∆𝑈 + 𝑇 ∆𝑇 ∆𝑊𝑚  Itt lényegében a hasznos munkavégzés értéke ∆𝑇 1K-re vonatkozóan.

39



Gibbs-Helmholtz  Ez a hőmérsékleti együttható. A kémiai folyamatoknál nem

zérus, és így az ezen folyamatok által végzett hasznos munka más, mint a belső energia megváltozása.  A mechanikai munkára felírt egyenlet lényegében a Gibbs– Helmholtz egyenlet, ugyanis  ha a mechanikai munkát reverzibilis munkának tételezzük fel és  a szabad entrópiával vesszük egyenlőnek (ΔG), valamint  a belső energiát a hőtartalomra korlátozzuk – esetünkben a ∆𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ 𝑇

kaloriméterben mérhető reakció hőre –, a entrópia változásnak jelöljük, akkor a képlet ΔG = ΔH – TΔS

értéket pedig

 szerint az Gibbs–Helmholtz egyenlet szokásos alakjában jelenik

meg.

40



Mi a hasznos munka?  Itt ΔG a reverzibilis munkát, illetve a szabad

entrópiát jelöli.  ΔH a kaloriméterben mérhető reakcióhőt és  ΔS az entrópiaváltozást jelöli.  Mint előbb említettük, a kémiai folyamatok által végzett hasznos munka más, mint a belső energia megváltozása.

41



A potenciál  Ha az entrópiaváltozástól eltekintünk, akkor  1 mólnyi anyag töltésmennyiségének E potenciálon

történő átviteléhez G = ZFEVolt munka szükséges.  Itt F = 96 500 Coulomb ( 6∙1023∙10-19 Coulomb),

és ebből

∆𝐺 𝐸= 𝑍𝐹

 Z=1, 2, 3, értéket vehet fel az ionok egyszeres,

kétszeres, háromszor, stb. töltésmennyiségének függvényében. 42



Példa  Példaképpen

számítsuk ki a fenti figyelembevételével, hogy egy Dániel-elemben

összefüggések

 1 óra alatt 10 A áram termelése esetén mennyi cink oldódik.

 A töltésmennyiség 10 A  3600 sec, azaz 36∙103 Coulomb.  A cink atomsúlya 65,38.

 Ebből következik, hogy  65,38 g cink oldódása biztosítaná 96, 5∙103 Coulomb átvitelét, de  miután mi csak ezen mennyiség kb. 37%-nak átvitelét kívánjuk, ezért  ehhez kb. 23 g. cink oldódása lenne szükséges, ha egy cinkatom

oldódása azonban két elektrtont adna.  Egy cinkatom oldódása azonban két elektront ad, és így 10 Amper áram 1 órás termelésnél 11, 5 g cink oldódása szükséges.

43



Kommentár  Megvizsgálhatjuk azt is, hogy az 1 V feszültséggel

működtetve a Dániel-elemet, az a fentiek szerinti 1 óra alatt 12,5 g cinkért kb. 10 Wh energiát ad.  Nyilvánvaló, hogy 1 kWh energiához így kb. 1,1 kg cink oldódása szükséges.  Ha figyelembe vesszük azt, hogy  1 kWh-hoz 380 g benzin eltüzelése szükséges, akkor

 a cinkből történő energiatermelés kb. háromszoros

anyagfogyasztással jár.

44



Komment  Megvizsgálhatjuk azt is, hogy az 1 V feszültséggel működtetve a Dánel-elemet, az a fentiek szerinti 1 óra alatt 12,5 gr. cinkért kb. 10 kWó energiát ad. Nyilvánvaló, hogy 1 kWó energiához így kb. 1,1 kg. cink oldódása szükséges. Ha figyelembe vesszük azt, ohgy 1 kWó-hoz 380 gr. benzin eltüzelése szükséges, akkor a cinkből történő nergiatermelés kb. háromszoros anyagfogyasztással jár.

45



5. rész Valóságos körülmények között működő tüzelőanyag elemek

46



Feltételezések  Az elektrokémiai áramforrásoknál az elméleti

vizsgálódások az alábbi feltételezések mellett folynak:  az elektródák végtelenül kis áramsűrűséggel vannak

terhelve,  ennek megfelelően a kapcsokon az elektromos erő jelenik meg,  a reakciók során képződött hő a rendszer hőfokát lényegesen nem emeli, az környezeti hőfokon marad.

47



Ideális hatásfok - képlet  Az elektrokémiai áramforrás ideális hatásfoka

𝜂𝑖𝑑𝑒á𝑙𝑖𝑠

És 𝜂𝑣𝑎𝑙ó𝑠

48

−𝑛𝐹𝑈𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑜𝑠 2𝑈𝑇 = = ∆𝐻 ∆𝐻 −𝑛𝐹𝑈𝑘𝑎𝑝𝑜𝑐𝑠 𝑖𝑈𝑘𝑎𝑝𝑜𝑐𝑠 𝑡 = = ∆𝐻 ∆𝐻



Ideális hatásfok - számítás  A továbbiakban pedig kiszámítjuk az ideális és

valóságos hatásfokot:  96.500 Coulomb  Volt= 96,5 kJ

𝜂𝑖𝑑𝑒á𝑙𝑖𝑠 𝜂𝑣𝑎𝑙ó𝑠

49

2 ∙ 96,5 ∙ 1,23 = 100 = 98% 242

2 ∙ 96,5 ∙ 0,75𝑉 = 100 = 60% 242



6. rész Megvalósított tüzelőanyag-elemek

50



Osztályozás: hőmérséklet  Igen sokféle tüzelőanyag elemet valósítottak meg,

mely tényből nyilvánvaló az is, hogy  egyik típusnak sincsenek elsöprő műszaki vagy

gazdasági előnyei a másik felett.  A tüzelőanyag elemeket többféle módon lehet

osztályozni, itt 3 féle osztályozást említünk meg:  Hőfok

szempontjából: – ismerünk környezeti hőfokon működő tüzelőanyag elemet:  300-700 ºC –os intervallumban működő közép hőfokú tüzelőanyagelemeket, valamint  1000-1500 ºC között működő magas hőfokú tüzelőanyag elemeket. 51



Osztályozás: beviteli mód  Osztályozhatjuk a tüzelőanyag elemeket a

tüzelőanyagnak az elembe történő beviteli módja szerint is.  Az elembe a tüzelőanyagot bejuttathatjuk  gáz formájában,  oldat formájában, esetleg  szilárd anyag formájában.

52



Osztályozás: elektróda  Végül

az elemben alkalmazott elektróda megoldások szempontjából is osztályozhatunk, mivel használhatók az elemben.  fémszivacsból készült porózus elektródák,

 az elektrolitban keringő fémzagyok, végül  az elektrolitba folyamatosan juttathatunk tömör,

automatikus adagolású fémszalagokat.  A megvalósított tüzelőanyag elemek közül csak

néhány típust fogunk ismertetni, leginkább az egy-egy csoportra jellemző, a fejlesztés szempontjából előálló típust. 53



Példa alacsony hőfokon működő tüzelőanyag elemre

54



Bacon  Ezek a típusok képezik a klasszikus tüzelőanyag

elemek alaptípusát.  Környezeti hőfokon működnek, vagy légköri, vagy a terhelési áramsűrűséget növelni engedő magasabb nyomásokon.  A tüzelőanyag elemek reneszánszának tekinthető a Bacon professzor által 1954-ben épített modernebb típusok is ilyenek voltak.

55



Bacon-cella  Az ábra mutatja az elemek metszetét.  Belülről kifelé haladva középen van a 27%-os

NaOH oldatot tartalmazó elektrolit, amelyet a kör alakú tárcsát körülvevő szigetelő gyűrű nyílásain át keringtetnek, illetve cserélnek.

56



Katalizátor  Az elektrolit bal, illetve jobb oldalán 30 mikron

pólus nagyságú szinterelt Ni lemezek vannak, amelyek külső oldaláról az aktív gázt, a viszonylag tiszta hidrogént, illetve oxigént vezetjük a póruson át az elektrolithoz.  A Ni elektródák katalizátorként 1 g platinát tartalmaznak 1 dm2 elektróda felületre vonatkoztatva.  A legkülső oldalon acél szorítólemezek vannak, amelyeket elektróda sorozat esetén szűrőprésszerűen képeznek ki. 57



Adatok  Az acél lemezen lévő be–és kilépő lyukak biztosítják

azt, hogy a hidrogén, illetve az oxigén elektródák gázoldali felületén cserélődik.  Az égő, illetve az égést tápláló gázokat  bizonyos típusoknál 98,066 kPa nyomáson,  fejlettebbb típusoknál 4903-5884 kPa nyomáson táplálják az

elektródákra.  Ez utóbbi nyomás esetén az elektrolit hőfoka 60-70ºC-ig is

emelkedhet.

 Ez az elemtípus atmoszféra nyomáson  40-50mA/cm2 áramsűrűséget enged meg,  4903-5884 kPa nyomáson  az áramsűrűség eléri a 300 mA/cm2-t. 58



Még adatok  Ez 0,8 V-os feszültséget feltételezve azt jelenti,

hogy  1 cm2 –ről 0,24 W teljesítményt,  1 dm2-ról 24W teljesítményt nyerhetünk.

 A 98,066 kPa-on működő rendszerek kész súlya

általában könnyebb és ezt különböző szükségáramforrásokban használják.  A nagynyomású rendszerek az acélkarimák miatt súlyosabbak, alkalmazásuk pl. hegesztő rendszerek táplálásánál előnyös. 59



Hatásfok  Az ilyen elemek működési hatásfoka elméletileg

elérheti a 90-95%-ot.  A gyakorlatban megvalósítottak 70-80%-os hatásfokot értek el, az előbbiekben említett alacsony áramsűrűségek mellett.  Ezek

a hatásfokok az erőművek 35-40 %-os hatásfokához mérten kitűnőnek mondhatók.

 A megvalósított elem kb. 130 cm átmérőjű.

60



Példa közepes hőfokon működő tüzelőanyag elemre

61



Broers  A közép hőfokú tüzelőanyag elemek kifejlesztése

területén 1960-ban a holland Broers végzett úttörő munkát és mind Európában, mind Amerikában számos laboratórium az ő nyomdokain kezdte meg a tüzelőanyag elemek fejlesztését.  Így a hazánkban folyó tüzelőanyag elem kutatás a Broers-féle rendszerre alapozódott és azt továbbfejlesztette (1978-ig).  Az ilyen fajta tüzelőanyag elemek elvi megoldását a következő ábra adja. 62



Broers-cella  Ismét belülről kifelé haladva az elem felépítése és

működése az alábbiak szerint jellemezhető.  Az elem központi részét alkotó elektrolit  káliumkarbonátok,  nátriumkarbonátok és  litiumkarbonátok

eutetikus keveréke, amely a 720ºC-os működési hőfokon folyékony halmazállapotú.

 Ez az elektrolit van a magnéziumoxid mátrix

pórusaiba felszivatva. 63



Elektródák  A hidrogén elektróda, amely az ábrán az elem bal  



 

64

oldalán helyezkedik el, porózus ezüst és nikkel tárcsa, az oxigén elektróda pedig porózus szinezüst tárcsa. A hidrogén elektródára a ráerősített tasakok hidrogén és CO keverékét juttatják a bal oldali elektródákra általában levegőt táplálnak. A hidrogén elektróda a H2 és CO gáz keveréke öblítés alatt van, az oxigén oldalon a bevezetett levegő vízgőzzel és CO2vel keverve távozik. A hidrogénhez hozzáadagolt CO a karbonátion feltartására szolgál.



Adatok  A megépített elemekkel  200 mA/cm2 áramsűrűséget érünk el,  0,7-0,8 V-os kapocsfeszültségek mellett.

 A Magyarországon folyt kísérletek az 1970-es

években  3-4000 órás működési időtartamot biztosítottak,  A ma működő elemek már 30-40 ezer óráig is

működőképesek.  A

középhőfokú elemek általában 45-55%-os hatásfokot érnek el.

65



Hatásfok  Ez látszólag rosszabb, mint az alacsony hőfokú

elemeké, de figyelembe kell venni azt, hogy  katalizátoruk szénmonoxidra és a gáz tisztaságára

vonatkozóan nem túl érzékeny és  bizonyos típusaik megfelelően reformált metánt is fel tudnak dolgozni.  Az ábra egy közép hőfokú elem részletesebb

működését mutatja abban az esetben, amikor a hidrogén oldalt szénhidrogén elemekkel tápláljuk.

66



Szénhidrogén  Látható, hogy a szénhidrogének az elemben

történő krakkolás folytán az elektródákat részben mint H2 molekulák, részben mint CO molekulák érik el.  A közép hőfokú celláknál jelenleg is még számos problémát kell megoldani, ezek közül az alábbiakat említjük:  A cella tömítések rugalmasságának megoldása a

700ºC-os működési hőmérsékleten.

67



Problémák  Parazita áramok megszüntetése az egyes cellák

között a magas hőfokon történő jobb villamos szigetelés megoldásával.  Elektrolit és elektróda invarianciájának biztosítása.  Az elektróda invariancia alatt a karbonátionok számának

állandóságát értjük, ugyanakkor  az elektróda invarianciáját pedig a szinterelt ezüst és nikkel elektródák pórusainak további szinterelődésének kikerülésében látjuk.

68



Problémák  Meg kell említeni azt is, hogy a 2-3 mm vastagságú

magnéziumoxid mátrixban bizonyos elektrolit vándorlás is fellép, ami azt eredményezi, hogy a mátrix bizonyos részei elektrolitban elszegényednek és nagy ellenállásúvá válnak.  Nem mellőzhetők azok a problémák sem, amelyek

1 cella üzemidejével kapcsolatban felmerülnek. A

fejlesztés kezdetén a cellák 30-40%-os teljesítmény csökkenés mellett 5-600 órát üzemeltek.  Az 1983-as szint 6-8000 órával jellemezhető. 69



Üzemórák  A kívánatos üzemórák száma folyamatos, illetve

szakaszos üzemben 30…40 000 óra lenne azon gazdasági számítások alapján, hogy a

jelenlegi gőzturbinás erőművekkel kívánják egyenlő szintre állítani a tüzelőanyag elemes erőműveket.  Meg kell említenünk, hogy 1 év 8760 órából áll és a

gőzerőműtől azt kívánjuk meg, hogy a karbantartási és egyéb munkákat figyelembevéve, 6000-6500 órát üzemeljen 1 évben.

70



Példa magas hőfokon működő tüzelőanyag elemre

71



General Electric  A magas hőfokú cellákkal kapcsolatban egy ún.

metángázt feldolgozó „olcsó” tüzelőanyag cella típust mutattunk be.

 A cella fejlesztésébe a

General Electric vállalat fektetett lényeges munkát és az alábbiakban vázolt típus és jellemző működési értékek a fenti vállalat laboratóriumában jöttek létre. 72



GE-cella  A cella felépítését az ábra mutatja.  A felépítés a következő:  A tüzelőanyag elem „elektrolitját”, pontosabban az oxigén ionokat transzportáló közeget a cella középpontjában elhelyezkedő cirkonoxid pohár képezi.  Ebben belülről a pohár falával olvadt ezüst érintkezik, külső felületén pedig a földgáz pirolíziséből származó krakkolási termékek, korom helyezkedik el.  Általában a külső felületre valamilyen fémvezető rácsot is felvisznek. A cirkonoxid hengert zárt tartály veszi körül, amelybe a földgázt belevezetik, ez a tartály azonban a fel nem dolgozott, de még reakcióképes égő anyagokkal kb. 1100 fokos hőmérsékletre kerül. 73



Működés  A cella működése az alábbiak szerint megy vége:  A cirkonoxid pohárban elhelyezkedő olvadt ezüstbe egy

hőálló acélcsövön át levegőt, illetve oxigént nyomunk, amely az olvadt ezüstön átbuborékol, illetve oldódik.  Ez az acélcső képezi egyben a tüzelőanyag elem pozitív pólusát. Az ezüstben oldódott oxigén ionok a cirkonoxidon át ion formájában átmennek a külső felületen elhelyezkedett szénatomokhoz és azokkal CO, illetve CO2 molekulákat képeznek.  Minden oxigénion az ezüstből 2 elektront visz magával, amelyek a T terhelésen át kerülnek vissza a pozitív potenciálon lévő hőálló acélcsőre. 74



Adatok  A rendszerben a fenti működési hőmérsékleten  kb. 150-170 mA/cm2 áramsűrűséget értek el, ami

egyben az adott teljesítményhez szükséges felületeket is meghatározza.  A cellával 35-40%-os hatásfokot értek el, ami alig több, mint a gőzturbinás erőműé.  Az ilyenfajta tüzelőanyag elemek lényeges előnye

abban van, hogy képes közvetlenül földgázt feldolgozni és tömítettsége, valamint viszonyai általában egyszerűbbek, mint a diafragmákkal kiképzett celláké. 75



A jelen és a jövő

76



Korszerű tüzelőanyag-típusok Operating Temp. º(C)

Electrolyte

Catalyst

60-95

Ion Exchange Membranes

Pt Pt-alloy

50-100

Mobilized or Immobilized Potassium Hydroxide

Pt Pt-alloy

200-220

Immobilized Liquid Phosphoric Acid

Pt Pt-alloy

Molten Carbonate

600-650

Immobilized Liquid Molten Carbonate

Nickel

43-55

500 kW – 5 MW

5-10

Solid Oxide

800-1000

Ceramic

Perovskites

43-55

5 kW – 3 MW

5-10

Type

PEM

Alkaline

Phosphoric Acid

System Efficiency (%)

Size

32-40

<1 kW – 500 kW

35-45

<1 kW – 250 kW

36-45

250 kW – 5 MW

Start-up Time (hours)

Likely Applications

<0.1

§ Residential § Small Commercial § Automotive

<0.1

§ Space programs § Small commercial § Residential § Automotive

1-4

§ Large Commercial / Industrial § Hospitals § Large Commercial / Industrial § Power Station § Large Commercial / Industrial § Residential § Small Commercial J Goodman: Fuel Cells

77



Alkalmazások és nehézségek Application

Hurdles

Difficulty

Transportation

Cost Durability Fuel Infrastructure Hydrogen Cost Durability Fuel Infrastructure Fuel Storage (Renewables) Cost Durability System Miniaturization Fuels and fuel Packaging

High High High High High High Low Medium Medium Medium High Medium

Stationary – Distributed Generation

Portable

78



Hype and Consequences Primary Energy Source Fuel • Coal • Petroleum • Natural Gas • Water / Sunlight

Fuel Cell or ICE Cogen or Electricity

Fuel Cell or Other

Central Reformer

Cogen or Electricity

H2

Truck Delivery

Fuel Cell or Other

Fuel Cell or Other Central Power Plant

Fuel Cell or ICE

A Mosaic Approach Will Be With Us For Years To Come

Hype and Consequences Electrolysis (water) e-

e-

H2

e-

e-

Hydrogen Storage

Wind

PV (Solar) e-

eH2

Automotive e-

Commercial Consumer

e-

PEM Fuel Cell CH4

Biomass (methane)

e-

e-

Residential Consumer

Vége FC

81



Megújuló energiák villamos rendszerei (BMEVIVEM262)

Recommend Documents