Protoncserélő membrános hidrogén - levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása

Protoncserélő membrános hidrogén levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása Közlekedési alkalmazásokhoz

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

MET Hidrogén Tagozat, Tüzelıanyag-cella workshop Minden jog fenntartva Fuelcell.hu, 2008.

2009. Március 3.

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


2009. Március 3.

Elektrokémiai vizsgálatok

Potenciosztátok (1nA-20A) Kvarckristály nanomérleg Forgó győrős elektródok


2009. Március 3.

Dinamikus szimulációs alkalmazások

Matlab, Comsol környezetek

Operátor-spliting technika


2009. Március 3.

Fuel cell - Laboratórium

Beépített vizsgálati módok Teljesítmény diagramok (UI) Élettartam vizsgálatok Impedanciaspektroszkópia

Saját fejlesztés Tranziensek vizsgálata Csúcsteljesítmény (peak-power) vizsgálata

Szimuláció Membrán fejlesztés


2009. Március 3.

III. Széchenyi futam

EPR08

WireCar

Fuel cell energia puttony Fuel cell akkumulátor töltı versenyautókhoz


2009. Március 3.

Mi a tüzelőanyag-elem?

Fuel cell Üzemanyagcella Tüzelıszer-elem Tüzelıanyag-cella


2009. Március 3.




2009. Március 3.




2009. Március 3.

Tüzelőanyag-cella típusok Fogyasztó

CO2, H2 O

N2, H2O, O2

Tüzelıanyag

Levegı

Anód

Elektrolit

Katód


2009. Március 3.

Tipikus alkalmazások Hordozható eszközök, magas energia sűrűség

1

10

Methanol

Mobil, otthoni alkalmazások zero károsanyag kibocsátás

100W 1k

10k

Lúgos

Protoncsere-membrán

Ipari alkalmazások, magasabb hatásfok, zajmentes környezet-barát működés

100kW

1M

10MW

Karbonátos

Foszforsavas Szilárd oxid

James Larminie: Fuel cell systems, explained, 2004, Willey


2009. Március 3.

A legismertebb0


2009. Március 3.

Az első híres FC


2009. Március 3.

Olvadt karbonátos cella (MCFC) MTU – Friedrickshafen •230 kW elektromos •210 kW Hı •Földgáz •600oC üzemi hımérséklet


2009. Március 3.

Egyéb tüzelőanyag-cella alkalmazások


2009. Március 3.

Újabb modellek


2009. Március 3.

Készenléti áramforrás


2009. Március 3.

Komplex rendszerek


2009. Március 3.

Üzemanyagcellás járművek AeroVironment 9 órás repülés

100 db kísérleti autó, Honda FCX Clarity és a GM Chevrolet Equinox

A Mi autónk?


2009. Március 3.

Miért alkalmazunk tüzelıanyag-cellákat az (elektromos) energia ellátásban?


2009. Március 3.

Energiaátalakítás ηta. elem

Tüzelőanyag kémiai energiája

Tüzelőanyag-elem elméleti (reverzibilis) hatásfoka

Hatásfok, % (Fűtőertékre Fűtőertékre)

100

η=100 %

Elektromos energia

ηta.cella =-∆Gr/∆Hr

80

60

η~100 %

Hőerőgép Carnot hatásfoka

40

η =(Tf-Ta)/Tf

20

0

200

600

1000

ηhőe rőgép

1400

Hőmérséklet, oC, (Tta. cella ill. Tf Carnot)

Hőenergia

Mechanikai energia (munka)


2009. Március 3.

Elméleti energia sűrűségek


2009. Március 3.

Teljesítménysőrőség / W kg-1

Technológia összehasonlítása

Energiasőrőség / Wh kg-1

Chem. Rev, 104, 4245 (2004)


2009. Március 3.

Tank-to-wheel


2009. Március 3.

A Protoncsere-membrános tüzelıanyag-cella mőködése


2009. Március 3.

A tüzelőanyag-cella szíve anód

katód

O2, levegő

H2, ta.

szén szemcsék

áramlási mező „flow field”

gáz diffúziós réteg „gas-diffusion layer” ~250 µ mµm 100-300

katalizátor „catalyst” ~25 µ m

gázvízzel telített transzport mikropórusok mezopórusok Pt- nanorészecskék

polimer elektrolit membrán 25-200 µ m


2009. Március 3.

Működési körülmények - hatásfok Hidrogén, levegõ nedvesítés Csak levegõ nedvesítés

1,0

0,4

0,8

-2

0,3

0,7 0,6

0,2

0,5 0,1

0,4

Teljesítmény / Wcm

Cella feszültség / V

0,9

0,3 0,0 0,2 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Áramsûrûség / Acm

T=80oC

1,0

1,2

-2

Teljesítmény:0.4Wcm-2

Pt tartalom: 5g/m2


2009. Március 3.

Elektrokémiai viselkedés 6, 0x10

-4

59 84,75

4, 0x10-4 59 84,74 2, 0x10-4 59 84,73

I/ A

-2, 0x10

59 84,72

-4

-4, 0x10-4 -6, 0x10

f / kHz

0,0

59 84,71

-4

59 84,70 -8, 0x10

-4

59 84,69 -1, 0x10-3 59 84,68

-1, 2x10-3 -0,4

- 0,2

0, 0

0, 2

0,4

0,6

0, 8

1, 0

1,2

1,4

E / V vs. SCE


2009. Március 3.

Meghatározó egyenletek


2009. Március 3.

Az egyszerűsített egyenletrendszer

A folyamatokat leíró egyenletek

i1 = −σ eff

∂ϕ1 ∂x

Szilárd fázis

i2 = −κ eff

∂ϕ 2 ∂x

Oldat fázis

∂i1 ∂i2 − = ∂x ∂x

Elektroneutralitás

+ További jelenségeket leíró egyenletek MET Hidrogén Tagozat, Tüzelıanyag-cella workshop Minden jog fenntartva Fuelcell.hu, 2008.

2009. Március 3.

A kanonikus alak ∂u ∂ 2u ( X ,τ ) = 2 ( X ,τ ) −ν 2 f (u ( X ,τ ) ) ∂τ ∂x

Ahol X és tau rendre a térben és idıben transzformált változókat jelenti Diffúziós tag Forrás tag


2009. Március 3.

Mérés, intenzív használat után Szimuláció (1) Mérés, hosszú ideig pihentetett cellán Szimuláció (3)

Cella feszültség / V

0,9

0,6

1 2 3 0,3

Dimenziómentes reakció sebesség

Szimulációs eredmények I=0,01 Acm -2 I=0,1 Acm -2 I=0,5 Acm

1,0

-2

0,8

0,6

0,4

0,2

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


2009. Március 3.

Feszültség relaxáció vizsgálata - PID Ai0 Ai (1 − ε 1 )(1 − ε 2 )L   t− 0 j st  RT Adl C dl  

αF RT E=E0 – b log j-R j-m exp(nj) η (t ) = log αF

0,60 1,0

Cell potential / V

Cell Potential / V

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

0,55

0,50 Ohmic drop

0,3 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0,0

Current / A

0,4

0,8

time / s

A mért értékek korrelációt mutatnak az alkalmazott frekvencia, kitöltési tényezı és áram között MET Hidrogén Tagozat, Tüzelıanyag-cella workshop Minden jog fenntartva Fuelcell.hu, 2008.

2009. Március 3.

Tranziens viselkedés

Cell Voltage / V

0,9

0,8

0,7

0,6 215

216

217

218

219

time / s

A felületi réteg (oxid) értelmezése szükséges MET Hidrogén Tagozat, Tüzelıanyag-cella workshop Minden jog fenntartva Fuelcell.hu, 2008.

2009. Március 3.

Tüzelıanyag-cella rendszerek a gépjármővek energia ellátásában


2009. Március 3.

A saját prototípus vázlata Tüzelőanyag-elem 2. fázis

Micro controller

Szelep

H2 metal-hidrid tároló

Vészelzáró

Nyomásszabályozó

Fitting, csővezeték

Tüzelőanyagelem

1. Fázis Levegő pumpa

Akkumulátor

Víz, hő kivezető Hidrogén Levegő

Fogyasztó

Elektromos rendszer Szabályozás


2009. Március 3.

Tüzelőanyag-cella rendszer

Inverter Fuel cell

Akkumulátor

Nagynyomású tank Hőtés

Szabályzó Elektromotor MET Hidrogén Tagozat, Tüzelıanyag-cella workshop Minden jog fenntartva Fuelcell.hu, 2008.

2009. Március 3.

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 MET Hidrogén Tagozat, Tüzelıanyag-cella workshop Minden jog fenntartva Fuelcell.hu, 2008.

2009. Március 3.

Direkt hajtás?


2009. Március 3.

Teljesítménysőrőség / W kg-1

Technológia összehasonlítása

Energiasőrőség / Wh kg-1

Chem. Rev, 104, 4245 (2004)


2009. Március 3.

FC-SC működése


2009. Március 3.

Hy-Go Projekt

Direkt FC meghajtás Saját fejlesztéső áramlökés-álló membrán Nagyrészt Magyarországon gyártott termékekbıl


2009. Március 3.

A rendszer optimalizálásának kérdései 900 Igényelt motor teljesítmény / W

800

FC teljesítmény / W 700

Kiegészítő Akku teljesítmény / W

Teljesítmény / W

600 500 400 300 200 100 0 -100

0

5

10

15

20

25

30

Idő / perc


2009. Március 3.

Légfelesleg és nyomás 5

900 2-szeres légfelesleg 3-szoros légfelesleg

880

860 4,9 840 4,85 820 4,8

Hidrogén mennyiség / l

Akkumulátor kapacitás / Ah

4,95

800 4,75

780

4,7

760 0

5

10

15

20

25

30


2009. Március 3.

Üzlet-e a tüzelıanyag-cella?


2009. Március 3.

Piaci helyzetkép - üzemanyagcellák


2009. Március 3.

Üzemanyagcellák üzemanyaga

Masdar az elsı megújuló energiákra épülı város (Egyesült Arab Emirátusok)


2009. Március 3.

Technológiai kihívások

Pt, Carbon korrózió, mérgezıdés Indítás, leállítás tranziensek Mikroplazmák kialakulása Membrán átlukadása Szabályozási problémák, vízkezelés Hőtési gondok Hidrogén infrastruktúra Költségek


2009. Március 3.

Támogatóink

Magyar Villamos Mővek

STS-Group Zrt.

NKTH


2009. Március 3.

Köszönjük a figyelmet! Kapcsolat: Dr. Inzelt György [email protected] Elektrokémiai és elektroanalítikai laboratórium http://victor4.chem.elte.hu/ www.fuelcell.hu Kriston Ákos [email protected] Szabó Tamás Alkalmazott Analízis tanszék http://www.cs.elte.hu/applanal/hun/index_hun.html [email protected]


2009. Március 3.

Előadások, konferenciák, publikációk

Elıadások, poszterek Faragó, I., Inzelt, G., Kriston, Á., Szabó, T., Investigation of fuel cells transients for real time parameter estimation and control algorithms. (poster) 59th ISE Meeting, Seville, Spain 7-12 September, 2008. Szabó, T., Kriston Á., Reliability of the numerical simulation of fuel cells using operator splitting method. (lecture) European Seminar on Coupled Problems. Jetrichovice, Czech Republic 8 - 13 June, 2008. Szabó, T., Kriston, Á., Analysis of the numerical modelling of fuel cells using operator splitting method. (poster) Encounters between Discrete and Continuous Mathematics Workshop on Dynamical Networks, Numerical Analysis and Ergodic Theory applied to Combinatorial Number Theory. Blaubeuren, Germany, 8-12 April, 2008. Faragó, I., Inzelt, G., Kornyik, M., Kriston, Á., Szabó, T., Stabilization of a numerical model through the boundary conditions for the real-time simulation of fuel cells. (lecture) International Conference on Systems, Computing Sciences and Software Engineering. University of Bridgeport, CT, USA, 3-12 December, 2007. Kriston, Á., Szabó, T., Faragó, I., Inzelt, G., Kornyik, M., Transient behavior of fuel cells and its control strategy for electric vehicles. (lecture) International BeLCAR matchmaking event, Stuttgart, Germany, 25 September, 2007. Kriston Á., Szabó T., Az üzemanyagcellák gyakorlati alkalmazásai. (lecture) Szent István Egyetem, Gyır, May, 2007. Kriston Á., Az üzemanyagcellák gyakorlati alkalmazásai. (lecture) First Hungarian Alternative Energy Claster, Budapest 13. December, 2006. Kriston Á., The Connection of Hydrogen and the knowledge based economy. (lecture) First Budapest International Hydrogen Energy Forum, 9-10 October, 2006. Cikkek Faragó, I., Inzelt, G., Kornyik, M., Kriston, Á., Szabó, T., Stabilization of a numerical model through the boundary conditions for the real-time simulation of fuel cells. International Conference on Systems, Computing Sciences and Software Engineering. Innovations and Advanced Techniques in Systems, Computing Sciences and Software Engineering. pp. 489-494, 2008. Kriston, Á., Inzelt, G., Estimation of the characteristic parameters of proton exchange membrane fuel cells under normal operating conditions. Journal of Applied Electrochemistry, Springer Netherlands, vol. 38, No. 3. 2007, pp. 415-424 Faragó, I., Inzelt, G., Kriston, Á., Kornyik, M., Szabó, T., Tüzelıanyag-elem fejlesztés magyar szemmel. A Jövı Jármőve - Jármőipari Innováció. Vol. 3. No 1-2. 2007, pp. 62-65. Inzelt G., Régi-Új Áramforrások: A Tüzelıanyag-elemek. Fizikai Szemle 2004/8 252.


2009. Március 3.

Protoncserélő membrános hidrogén - levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása

Recommend Documents