Megújuló energiák villamos

Prof. Dr Vajda István

BME Villamos Energetika Tanszék

Megújuló energiák villamos rendszerei

TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048

A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg

Tüzelőanyag-cellák

(Kémiai-villamos generátorok)

2. fejezet

1. rész

Előszó és bevezető

Előszó

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

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.

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.

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.

2. rész

Történeti áttekintés

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.

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 huszadik század közepe

 Az 1940-es években

 Berl nyilvánosságra hozta a szén–oxigén elektród mechanizmusát

 Justi pedig Németországban dolgozott nagy terhelhetőségű porózus fémelektródákon.

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

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.

3. rész

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

A gondolat háttere

 Az alábbiak lényegében a molekuláris

reakciókinetikai meggondolások, amelyek az

egyes molekulák által nyert transzlációs energiára és az impulzuseloszlásra vonatkoznak.

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.

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.

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.

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.

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.

4. rész

A működés alapjai

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.

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.

Az irányított égés koncepciója

 Vizsgáljuk meg azon két eljárás alapvető különbségét, amikor

 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)

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.

Az átalakítás hatásfoka

 Az egész rendszer átalakítási hatásfokát az a termodinamikai elv szabja meg, amelynél a rendszer kezdő- és végállapotának

rendezetlenségi foka:

𝑆₁ = 𝑄₁

𝑇₁ , illetve 𝑆₂ = 𝑄₂ 𝑇₂

 legkedvezőbb esetben azonos maradhat, de általában nő.

 Ezen elvet a Carnot- hatásfok önti számszerű alakba.

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

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.

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.

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).

… 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⁺⁺_𝑖𝑜𝑛 + 𝑍𝑛 → 𝐶𝑢 + 𝑍𝑛⁺⁺_𝑖𝑜𝑛

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 általában munkavégzésre használható fel.

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

Mi szükséges a munkavégzéshez?

 A cink–és rézrudat egy ellenálláson át a kaloriméter belsejében kössük össze.

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.

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.

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 10- szerese.

 Számítsuk ki most már számszerűen, hogy milyen összefüggés van az elem belsejében maradó hőenergia és az elektrokémiai cella által adott

Főtétel

 Termodinamikai alapfogalmak között ismeretes, hogy ha Q hőmennyiség megy át T₂-ről T₁ hőfokra, akkor a II. főtétel szerint a nyerhető mechanikai munka

𝑊_{𝑚𝑒𝑐ℎ} = −𝑄 𝑇₂ − 𝑇₁ 𝑇₂ értékű.

 A mechanikai munkává át nem alakult hő természetesen T₁ hőfokon megjelenik.

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

…és még…

𝑄 = 𝑇 ∆L_mech

∆𝑇 − 𝑄

𝑇 = ∆𝑆 = ∆𝐿_𝑚

∆𝑇

 Az I. főtétel szerint a belső energia

∆𝑈 = 𝑊_{𝑚𝑒𝑐ℎ} + 𝑄 = 𝑊_{𝑚𝑒𝑐ℎ} − 𝑇 ∆𝑊_{𝑚𝑒𝑐ℎ}

∆T 𝑊_{𝑚𝑒𝑐ℎ} = ∆𝑈 + 𝑇 ∆𝑊_𝑚

∆𝑇

 Itt ^∆𝑊𝑚

∆𝑇 lényegében a hasznos munkavégzés értéke 1K-re vonatkozóan.

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 kaloriméterben mérhető reakció hőre –, a ^{∆𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ}_𝑇 értéket pedig entrópia változásnak jelöljük, akkor a képlet

ΔG = ΔH – TΔS

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.

A potenciál

 Ha az entrópiaváltozástól eltekintünk, akkor

 1 mólnyi anyag töltésmennyiségének E potenciálon történő átviteléhez G = ZFE^Volt munka szükséges.

 Itt F = 96 500 Coulomb ( 6∙10²³∙10^-19 Coulomb), és ebből

𝐸 = ∆𝐺 𝑍 𝐹

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

Példa

 Példaképpen számítsuk ki a fenti összefüggések figyelembevételével, hogy egy Dániel-elemben

 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.

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.

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.

5. rész

Valóságos körülmények között működő tüzelőanyag elemek

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.

Ideális hatásfok - képlet

 Az elektrokémiai áramforrás ideális hatásfoka

𝜂_{𝑖𝑑𝑒á𝑙𝑖𝑠} = −𝑛𝐹𝑈𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑜𝑠

∆𝐻 = 2𝑈𝑇

∆𝐻 És

𝜂_{𝑣𝑎𝑙ó𝑠} = −𝑛𝐹𝑈_{𝑘𝑎𝑝𝑜𝑐𝑠}

∆𝐻 = 𝑖𝑈_{𝑘𝑎𝑝𝑜𝑐𝑠}𝑡

∆𝐻

Ideális hatásfok - számítás

 A továbbiakban pedig kiszámítjuk az ideális és valóságos hatásfokot:

 96.500 Coulomb  Volt= 96,5 kJ

𝜂_{𝑖𝑑𝑒á𝑙𝑖𝑠} = 2 ∙ 96,5 ∙ 1,23

242 100 = 98%

𝜂_{𝑣𝑎𝑙ó𝑠} = 2 ∙ 96,5 ∙ 0,75𝑉

242 100 = 60%

6. rész

Megvalósított tüzelőanyag-elemek

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.

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.

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.

Példa alacsony hőfokon működő

tüzelőanyag elemre

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.

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.

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.

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,

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 szükség- áramforrásokban használják.

 A nagynyomású rendszerek az acélkarimák miatt súlyosabbak, alkalmazásuk pl. hegesztő rendszerek táplálásánál előnyös.

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.

Példa közepes hőfokon működő

tüzelőanyag elemre

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

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.

Elektródák

 A hidrogén elektróda, amely az ábrán az elem bal 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 CO₂- vel keverve távozik.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Példa magas hőfokon működő

tüzelőanyag elemre

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

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.

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

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.

A jelen és a jövő

Korszerű tüzelőanyag-típusok

Type

PEM

Alkaline

Phosphoric Acid

Molten Carbonate

Solid Oxide

Operating Temp.

º(C)

Electrolyte Catalyst

System Efficiency

(%)

Size

Start-up Time (hours)

Likely Applications

60-95 Ion Exchange

Membranes Pt

Pt-alloy 32-40 <1 kW –

500 kW <0.1

50-100

Mobilized or Immobilized Potassium Hydroxide

Pt

Pt-alloy 35-45 <1 kW –

250 kW <0.1

200-220

Immobilized Liquid Phosphoric

Acid

Pt-alloy Pt 36-45 250 kW –

5 MW 1-4

600-650 Immobilized Liquid Molten

Carbonate Nickel 43-55 500 kW –

5 MW 5-10

800-1000 Ceramic Perovskites 43-55 5 kW –

3 MW 5-10

§ Residential

§ Small

Commercial

§ Automotive

§ Space programs

§ Small commercial

§ Residential

§ Automotive

§ Large Commercial / Industrial

§ Hospitals

§ Large Commercial / Industrial

§ Power Station

§ Large Commercial / Industrial

§ Residential

§ Small

Commercial

Alkalmazások és nehézségek

High High High High Cost

Durability

Fuel Infrastructure Hydrogen

Transportation

Difficulty Hurdles

Application

High High Low Medium Cost

Durability

Fuel Infrastructure

Fuel Storage (Renewables) Stationary – Distributed

Generation

Medium Medium High Cost

Durability

System Miniaturization Portable

Fuel Cell or ICE

Fuel Cell or ICE Central

Reformer H₂

Fuel Cell or Other Cogen

or Electricity

Fuel Cell or Other Central Power Cogen

or Electricity

Fuel Cell or Other

Primary Energy Source

Truck Delivery Fuel

• Coal

• Petroleum

• Natural Gas

• Water / Sunlight

Hype and Consequences

Wind PV (Solar) Electrolysis

(water)

e^{- H2}

e^-

e^- e^-

Hydrogen Storage

PEM Fuel Cell

H₂

e^- e^-

e^- e^-

e^- e^-

Automotive

Hype and Consequences

Vége FC