A T¼zel‘anyag Cella

download A T¼zel‘anyag Cella

of 13

  • date post

    13-Feb-2016
  • Category

    Documents

  • view

    6
  • download

    1

Embed Size (px)

description

A tüzelőanyag-cella

Transcript of A T¼zel‘anyag Cella

  • BUDAPESTI MSZAKI EGYETEM Kzlekedsmrnki Kar

    Jrmgyrts s Javts Tanszk

    A tzelanyag-cella mkdse, felptse, jellemzi

    Thiele dm WTOSJ2

    Budapest, 2008

  • 2

    Tartalomjegyzk

    1. ltalnos megllaptsok

    2. Trtneti ttekints

    3. A tzelanyag cella mkdse

    3.1. Kpzdsi szabadentalpia

    3.2. Elektrdpotencil s standardpotencil

    4. A tzelanyag-cella vesztesgei

    5.1. Bels ellenlls

    5.2. Elektrolit ionkoncentrcija

    5.3. Elektron tlpsi vesztesg

    5.4. Diffzis vesztesg

    5. A tzelanyag-cella hatsfoka

    6. Nhny alapvet problma tzelanyag-cella esetn

    7.1. A platina kataliztor sznmonoxid mrgezse

    7.2. A platina kataliztor szndioxid mrgezse

    7.3. A tzelanyag-cella kapocsfeszltsg-vltozsa a katd leveg hozzvezetse esetn

    7.4. A protonvezet membrn-elektrolitos tzelanyag cellk (PEMFC) membrnnedvessgi problmja

    7. PEMFC telep (stack) kialaktsa tzelanyag-cellkbl

    8.1. Fmflia alap bipolr lemez

    8.2. Grafitos bipolr lemez

    8. Egyb tzelanyag-cella tpusok

    9.1. AFC (Alkaline Fuel Cell): Alklis oldatos tzelanyag-cella

    9.2. DMFC (Direct metanol Fuel Cell): Direkt metanol tzelanyag-cella

    9.3. PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): Foszforsavas tzelanyag-cella

    9.4. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): Olvadk-karbontos tzelanyag-cella

    9.5. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): Magas hmrsklet kermia-oxid alap tzelanyag-cella

    9. Nhny jelenlegi alkalmazs, kutats

    10.1. Az Opel PEMFC tzelanyag-cells prototpusa

    10.2. Hidrogn biztostsa tzelanyag-cella eltti reformrendszerrel

    10.3. Gzturbinval kombinlt ramfejleszts

    10. Felhasznlt irodalom

  • 3

    1. ltalnos megllaptsok Definci: A tzelanyag-cella folyamatos zem galvnelem, kmiai energit alakt t elektromos energiv (de jrulkos henergia is keletkezik). A tzelanyag-cellban sznhidrognekben (CxHx), ms fosszilis energiahordozkban (pldul metanolban) illetve hidrognben (H2) trolt kmiai energia szabadthat fel s alakthat t villamos energiv, hozzvetlegesen 70%-os hatsfokkal. A hermvekben trtn kolaj s fldgz elgetsvel felszabadtott henergit a vz gzz alaktsra fordtjk, amely nagy nyomssal, turbinkon tramolva alaktja els lpsben mechanikai, majd a turbinkhoz kapcsolt genertorok segtsgvel villamos energiv alaktja a kmiai energit. Ez az energiatalaktsi folyamat sokkal sszetettebb mdon jut el az energiahordozkbl val villamos energia kinyershez, mint a tzelanyag cella. Ha figyelembe vesszk minden energia talakt gp vesztesgt (turbina, genertor) s a hvesztesgeket is, legfeljebb 40%-os hatsfok rhet el. A tzelanyag-cellalba betpllt kiindulsi anyagok a hidrogn vagy metanol (CH3OH), metn (CH4), illetve ms fosszilis tzelanyagok, s az oxign (O2) vagy szn-dioxid (CO2) illetve leveg. Ezek gstermke tkletes gs esetn csak vz (H2O), ha az gs nem tkletes tzelanyag maradvnyok kpzdnek, pldul korom (C), sznmonoxid (CO). A definciban is emltett folyamatos zem azt jelenti, hogy a villamos energia termelshez szksges a kiindulsi anyagok folyamatos betpllsa, ellenttben az jra tlthet akkumultorokkal, illetve az egyszer hasznlatos, nem jra tlthet galvnelemekkel. Ebben az rsban a tzelanyag cellk egyik tpust a protonvezet membrn-elektrolitos tzelanyag cellt (PEMFC) mutatjuk be rszletesebben, rendszeresen utalva az ltalnos mkdsi elvekre, mert ez a legismertebb s legszlesebb krben alkalmazott tpus. Stabil, s mobil rendszerek kiszolglsra is alkalmas.

    2. Trtneti ttekints A tzelanyag-cella trtnete tbb mint 160 vre nylik vissza. Christian Friedrich Schnbein (1799-1868) rjtt arra, hogy ha hidrogn oxignben vagy klrban g el, akkor elektromos ram is keletkezik. Sir William Robert Grove (1811-1896) a hidrogn oxignnel trtn reakcijt az elektrolzis fordtottjaknt rtelmezte, s ksrleteket vgzett, amelyek sorn sszelltott egy ltala gzakkumultornak nevezett tzelanyag cellt (1. bra). A ksrletben kt egymstl hermetikusan elvlasztott vegcsbe platina (Pt) elektrdt tett, melyet az egyik vegben tiszta hidrogn, a msikban tiszta oxign gz vett krl. A gzok s a platina elektrda hg knsavas (H2SO4 + H2O), oldattal rintkeztek. Az gy sszelltott galvnelem elektrdjai kztt feszltsgklnbsg lpett fel s ram kezdett folyni. A kapocsfeszltsg nvelsre tbb ilyen cellt kapcsolt sorba. Wilhelm Ostwald (1853-1932) szmtsai szerint a tzelanyag-cella elmleti hatsfoka 80%-ra tehet. A mkdkpes s gyakorlatban is praktikus tzelanyag-cella ellltsa azonban az akkori technikai sznvonalon nem volt mg lehetsges, gy terjedtek el a villamos energia ellltsra gzturbink s genertorok. Dr. Francis Bacon (1904-1992) kifejlesztette az els gyakorlatban is alkalmazhat tzelanyag-cellt. Ebben platina helyett nikkel (Ni) elektrdkat, hg knsav helyett alklifm-elektrolitot, hajtanyagknt hidrognt s oxignt hasznlt, s 5kW-os teljestmnyt rt el. Ez volt a Bacon-cella. A 60-as vekben a NASA az rhajk fedlzeti ramelltsra tzelanyag cellkat-alkalmazott, melyek hajtanyaga az rhaj ltal folykony llapotban szlltott hidrogn s oxign volt (Gemini s Apollo rhajk). A fejlesztseknek nagy lkst adott a 70-es vek olajvlsga, s a ksbb egyre nyilvnvalbb vl fosszilis energiahordozk korltozott mennyisge. Ksrleteket folytattak az amerikai International Fuel Cell s az Eurpai rkutatsi Hivatal, fkpp az elektrolitok tkletestse tern. A 90-es vekben gpkocsik s buszok hajtsra alkalmas tzelanyag-cellt fejlesztettek ki. A mlt szzad utols vtizede a gpjrmvekben alkalmazhat tzelanyag-cella tpusok fejlesztsvel telt.

    1. bra: Grove-fle zeamanyag-cella

  • 4

    3. A tzelanyag cella mkdse A definciban mr emltettk, hogy a tzelanyag cella tulajdonkppen galvnelem. Tekintsk ezrt t a galvnelemek mkdsre jellemz ltalnos elveket!

    3.1. Kpzdsi szabadentalpia

    A galvnelemek mkdsekor kmiai energia alakul t elektromos energiv, mikzben ionok keletkeznek s semmislnek meg. Ahhoz, hogy ezek kzl melyik folyamat melyik reakcipartnerrel jtszdik le, segtsget nyjt a Gibbs-fle kpzdsi szabadentalpik ismerete (1. tblzat). A tblzat szerint bizonyos elemek hajlandk spontn ionos formba alakulni (ilyen pl. Al, Fe, Zn), bizonyos ionok viszont spontn elemm alakulnak (ilyen pl. Ag+, Cu2+). A hajlandsg mrtkt a kpzdsi szabadentalpia (G) nagysga, irnyt a kpzdsi szabadentalpia eljele hatrozza meg, amely a hidrogn esetben definci szerint nulla. Ez azt jelenti, hogy a felsorolt ionok kpzdsi szabadentalpija a hidrognion kpzdsnek szabadentalpijhoz van viszonytva.

    1. tblzat

    Ha egy olyan elemet, amelynek kpzdsi szabadentalpija negatv a sajt ionjait tartalmaz oldatba mertnk, akkor az ionos formban oldatba megy. Ez az oldatba vndorls addig tart, amg az elektrosztatikus vonzer ki nem egyenlti a szabadentalpia-klnbsgbl szrmaz hajtert. A folyamat sorn felpl egy ketts rteg, s vgl bell a dinamikus egyensly. Ezt lthatjuk a 2. brn. Ugyanez igaz azokra az elemekre is, amelyek kpzdsi szabadentalpija pozitv eljel, de ott elektronhiny halmozdik az elektrdban s negatv ionok az elektrolitban. A kialakult egyensly a felhalmozdott elektromos tltsek vezetn trtn elszlltsban megbomlik, gy az elektrda tovbb olddhat, mikzben jabb elektronok, illetve elektronhiny szabadul fel. Az elektromos tltsek elszlltsa elektrda fell a hinyos elektrda fel trtnik, gy ramot hoztunk ltre. Hasonl jelensg jtszdik le a tzelanyag-cella elektrdjain is.

    3.2. Elektrdpotencil s standardpotencil

    A kpzdsi szabadentalpia helyett elektrokmiban a kt elektrolitba merl elektrda kztt mrhet potencilklnbsgrl beszlnk, ez az elektrdpotencil (mskppen cellafeszltsg, elektromotoros er, resjrsi feszltsg). Mivel az elektrdpotencil mrhet, ellenttben a kpzdsi szabadentalpival. Ugyanis: 1 volt potencilklnbsget mrhetnk, ha a galvnelem bels ellenllsa 1 ohmos s 1 amper folyik az elektrdkat sszekt vezetn. Ha teht sszelltunk egy galvnelemet kt klnbz elektrdbl, akkor megmrve a kztk lv feszltsget az elektrdpotencilt kapjuk, de ez az elektrdpotencil mindig relatv, a msik elektrdhoz viszonytott! Ahhoz, hogy felllthassunk egy elektrdpotencil sort, szksg van egy referenciaelektrda kijellsre. Ez a hidrogn elektrda, amely 25C-on 1 bar nyoms hidrogn gzt, 1 mol/dm3 H+ iont tartalmaz oldatot s platina elektrdot tartalmaz (nagyon hasonl a tzelanyag-cella flcellhoz). A hidrogn elektrdbl s egy msik elektrdbl sszelltott galvnelem 2. tblzat elektrdpotencilja a standard potencil. Ez alapjn sszellthat az elektrdfolyamatok standardpotencil sora (2. tblzat).

    Brmely kt flcella sszekapcsolsval galvnelemhez jutunk, s a vgbemen cellareakcit megkapjuk, ha a kt flcella reakcit ler egyenletet megfelelen egyestjk. Az ltalnos mkdsi elvek ttekintsre vegyk pldul egy hidrogn-oxign betplls zemanyag-cellt, melynek elektrolitja protonvezet membrn-elektrolit (PEMFC). Vizsgljuk meg az andon s a katdon lejtszd reakcikat!

    Andreakci (oxidci): + -

    22 4 + 4eH H 0 0E V

    Katdreakci (redukci): + -

    2 2 + 4 + 4e 2O H H O 0 1,23E V

    Ion G (kcal/mol)

    H+

    0

    Ag+

    18,4

    Al3+

    -115,0

    Cu2+

    15,5

    Fe2+

    -20,3

    Zn2+

    -35,2

    Flcella reakci Elektrdpotencil (V)

    2H+ + 2e

    - = H2 0

    Ag+ + e

    - = Ag +0,80

    Cu2+

    + 2e- = Cu +0,34

    Zn2+

    + 2e- = Zn -0,76

    O2 + 4H+ + 4e

    - = 2H2O +1,23

    O2 + 2H+ + 2e

    - = H2O2 +0,68

    H2O2 + 2H+ + 2e

    - = 2H2O + 1,77

    2. bra: Ketts rteg

  • 5

    Brutt reakci: 2 2 22 2H O H O 0 1,23cellaE V

    A katd s az and elektrda grafitpaprbl kszl. A tzelanyag-cella zemi hmrsklete 100C alatti.

    - Az andreakci platina bevonat elektrdon megy vgbe, amely a folyamatot katalizlja (alacsonyabb energiaszint reakciutat nyit meg). Mkdsnek alapja, hogy a gz halmazllapot anyagok kpesek a szilrd anyagok felletn adszorbeldni. Az adszorbci sorn a hidrogn molekulk sztvlnak, gykk, majd ionok s szabad elektronok keletkeznek, gy lehetsge