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 lehetsges az oxign molekulkkal val reakci a katdon s az elektronok atomtrzsekrl val levlasztsa. Kataliztorknt alkalmazhat mg rduim vagy rutnium, a hangsly a j hirdognadszorbel kpessgen van. Az adszorbci az aktv fellet nvelsvel javul, ezrt a hidrogn s a platina elektrda rintkezsi fellett porzuss kell tenni. Ezt a gyakorlatban fm/sznpor felvitelvel teszik. gy viszonylag kis mretben nagy reakcifellet ll rendelkezsre (elektrdatmegre vonatkoztatva akr 1000m2/g).

- Elektrolit: Az andreakci sorn keletkezett hidrogn ionok elszlltst a protonvezet membrn-elektrolit vgzi. Az elektrolit fajtja az zemanyag-cellkban ms s ms, a lnyeg az elektrdk egymstl val elvlasztsa s az iontvitel biztostsa.

- A katdreakci sorn az oxignmolekulk gykkre sztvlva felveszik a hidrogn ltal leadott elektronokat, gy teltve a legkls elektronhjat:

2

2 4 2O e O

Ezzel ltrejn az elektromos tltsek ramlsa az and s a katd kztt. Az oxign ionok ezutn egyeslnek a hidrognionokkal, a reakcitermk vz.

2

22 4 2O H H O

Ms tpus zemanyag-cellk esetn is hasonl reakcik jtszdnak le, a klnbsg csak az elektrolit fajtjban, s az elektrdkhoz vezetett gzokban van. A tzelanyag-cellban lejtszd reakcik a 4. brn kvethetk nyomon.

5. A tzelanyag-cella vesztesgei

Az ismertetett egy cellnak az elektromotoros ereje teht 1,23V, kapocsfeszltsge azonban tbb mkdsi jellemz miatt ennl kisebb. Ezek a mkdsi jellemzk minden tpus esetn korltozzk a kinyerhet kapocsfeszltsget.

5.1. Bels ellenlls A cella bels ellenllsa cskkenti az resjrsi feszltsget.

0 *k bU E I R ahol: Uk a cella kapocsfeszltsge Eo a cella elektromotoros ereje I a vezetn tfoly ram erssge Rb a cella bels ellenllsa

A bels ellenlls miatt kialakul vesztesget jelljk bR

U -vel.

5.2. Elektrolit ionkoncentrcija A cellafeszltsget nagyban befolysolja az idelis zemeltetsi krlmnyektl val eltrs. gy pldul az elektrolit ionkoncentrcija. Ennek elektrdpotencilra gyakorolt hatsa a Nernst-egyenletel rhat le:

0 lnRT

E E czF

ahol: E elektrdpotencil

4. bra: PEMFC tzelanyag-cella vzlatos mkdse

6

Eo a cella elektromotoros ereje R egyetemes gzlland T abszolt hmrsklet z tltsszm F Faraday-lland

A Nernst-egyenlet teht kapcsolatot teremt az elektrdpotencil s a koncentrci kztt. A Nernst-vesztesg miatt kialakul

vesztesget jelljk NU -nel.

5.3. Elektron tlpsi vesztesg Az elektrda-elektrolit hatron val elektrontlps sorn kialakult feszltsgess,

jelljk DU -vel.

5.4. Diffzis vesztesg A tzelanyag bevezetse sorn tbb gz kerl az elektrdhoz, mint amennyi az elektrokmiai

reakci sorn elfogy. Ezt jelljk DiffU -fel.

Mindezeket figyelembe vve a kapocsfeszltsg

( ZU ) megkzelten 0,8V-ra addik. A

gyakorlatban a nagyobb feszltsg elrst tbb cella sorba kapcsolsval oldjk meg. A felsorolt vesztesgeket brzoljuk ramsrsg-feszltsg diagrammban az 5. brn.

A kapocsfeszltsg tovbb cskken terhel ellenllsok kzbeiktatsval (ugyangy, mint minden telep, akkumultor esetn):

' *k k tU U I R ahol: Uk a cella kapocsfeszltsge I a vezetn tfoly ram erssge Rk a terhel ellenlls

6. A tzelanyag-cella hatsfoka

Az tzelanyag-cella sszhatsfoka az albbi kplettel szmthat:

th E F ahol: - sszhatsfok

th - termodinamikus hatsfok

E - elektromos hatsfok

F - Faraday hatsfok A felsorolt hatsfokok magyarzata:

Termodinamikus hatsfok ( th ): Megmutatja milyen arnyban ll egymssal a bevitt kmiai s a kinyerhet villamos energia. rtke nhny gzra:

hidrogn 94%th

metn 100%th

sznmonoxid 91%th

Elektromos hatsfok ( E ): Az elmleti kapocsfeszltsg (1,23V) s a feszltsg vesztesgek figyelembevtelvel kapott kapocsfeszltsg hnyadosa

(Uz):

0

zE

U

E

Faraday-hatsfok ( F ):

5. bra: ramsrsg kapocsfeszltsg diagramm

7

Ms nven talaktsi hatsfok, megmutatja az talaktott s a bevezetett tzelanyag tmegarnyt.

talaktottF

bevezetett

m

m

Az gy kiszmtott hatsfokrtkek az egyes tzelanyag-cellknl klnbznek, de ltalban elmondhat, hogy 55 s 70% kzz esnek.

7. Nhny alapvet problma tzelanyag-cellk esetn

7.1. A platina kataliztor sznmonoxid mrgezse

A tzelanyag-cellban fennll az and oldali elektrda platina bevonatnak sznmonoxid ltali szennyezdse. A fosszilis tzelanyagokbl a reformeljrs sorn nem kell tisztasgban kinyert hidrognben lv sznmonoxid befedi a platina kataliztor fellett, ezzel cskken az aktv fellet. Az ebbl add ramsrsg, s hasznos teljestmny cskkens jelents, hiszen az elzekben bemutatott Faraday-hatsfok rohamosan cskken. A mrgezds reakciegyenlete:

CO Pt Pt CO A sznmonoxid mrgezs kapocsfeszltsgre gyakorolt hatsa lthat az ramerssg fggvnyben a 6. brn. Az brbl kiolvashat, hogy nagy ramsrsg esetn nagymrtkben lecskken a kapocsfeszltsg, hozzvetlegesen 80%-kal. Az is lthat, hogy azonos ramsrsg rtkekhez tartoz kapocsfeszltsgek a hidrogn sznmonoxid tartalmnak fggvnyben mr kis sznmonoxid tartalom esetn is jelentsen cskkennek. Ha a platina kataliztor helyett platina-rutnium bevonatot alkalmaznak, akkor a sznmonoxid hatsa jelentsen cskkenhet, mert a platina-rutnium kevsb lerakds rzkeny. A lerakdsveszly cskkenthet az zemi hmrsklet emelsvel is, m ez okozhatja az elektrolit-membrn kiszradst PEMFC esetn.

7.2. A platina kataliztor szndioxid mrgezse (7. bra)

A sznmonoxid mrgezshez hasonl mdon jtszdik le, az albbi reakciegyenletek szerint:

A szndioxid hidrognnel trtn reakcija sorn sznmonoxid keletkezik: 2 2 2H CO H O CO Vagy kzvetlenl a platina bevonatot szennyezi a felleten adszorbeldot hidrogn kzrehatsval:

2 22CO Pt H Pt CO H O Pt . A 7. bra szndioxid hatst mutatja platina s platina-rutnium kataliztorra. Lthat, hogy a platina-rutnium kataliztor ellenttben a platina kataliztorral sokkal kevsb lerakds rzkeny, a fels kt grbe szinte prhuzamosan halad egymstl kis tvolsgra, azaz kis feszltsgklnbsggel, mg a platina kataliztorra 25% szndioxid tartalm gzt vezetve nagy ramsrsg esetn 80%-os feszltsg visszaesst tapasztalunk.

6. bra: A CO kataliztorra gyakorolt hatsa

7. bra: A CO2 kataliztorra gyakorolt hatsa

8

7.3. A tzelanyag-cella kapocsfeszltsg-vltozsa a katd leveg hozzvezetse esetn (8. bra):

A korbban felvzolt ramsrsg-feszltsg diagramhoz kpest a leveg betplls tzelanyag cella ramsrsg-feszltsg diagrammja nagyobb ess, s nem is r el akkora maximumot. Az aktulis ramsrsg legnagyobb rtkihez kzeledve a kapocsfeszltsgek kztti klnbsg jelentss vlik, leveg betplls esetn 50-70%-kal esik vissza. A kapocsfeszltsggel ellenttben az ohmos ellenlls nem mutat jelents eltrst az oxign s leveg bevezetse esetn.

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

A membrn ionvezetse a nedvessgtl nagyban fgg. A membrn egyik sszetevjnek vzzel trtn rintkezsekor lezajl disszocicija kvetkeztben a membrn savas karakterv vlik, gy a pozitv tlts hidrogn atomtrzsek (protonok) szmra vezetknt viselkedik. Ha azonban a membrn kiszrad, akkor a disszocici nem jn ltre, s a protonvezets lell.

8. PEMFC telep (stack) kialaktsa tzelanyag-cellkbl

Tbb tzelanyag-cella elektromos sszekapcsolsval kapjuk az gynevezett stack-et, vagy telepet. Az sszekapcsols lehet soros vagy prhuzamos, attl fggen, hogy nagyobb kapocsfeszltsget, illetve nagyobb ramerssget akarunk elrni. A gyakorlatban soros kapcsols cellkat alkalmaznak, gy jn ltre a 9. brn lthat telep. A sorba kapcsolt cellk szma fgg az elvrt kapocsfeszltsgtl, felletk pedig az elvrt ramerssgtl, mivel egy cella csak adott ramsrsget kpes biztostani. Minden egyes tzelanyag-cella kiviteltl fggen terhels alatti feszltsge 0,7 V maximlis feszltsge pedig 1,2 V. A 10. brn lthat egy PEMFC-telep robbantott brja. Az egyes tzelanyag cellkat egymstl bipolr lemezek vlasztjk el, illetve kapcsoljk ket sorba elektromosan. A bipolr lemezek feladata ketts: egyrszt elektromos sszekttetst biztostanak az egyik cella katdja s a szomszdos cella andja kztt, msrszt a bennk lv csatornarendszer kialaktsa lehetv teszi az egyes cellk prhuzamos tzelanyaggal val elltst. A 10. brn lthat, hogy a hidrogn fggleges furatokon ramlik az andhoz, az oxign pedig vzszintes furatokon jut el a katdhoz minden egyes bipolr lemez esetn. A j vezetkpessg elrse rdekben a bipolr lemezek grafitbl kszlnek. Ez az anyag jl alakthat, gy nem okoz nehzsget a kereszt-s hosszirny furatok kialaktsa sem. Ezen kvl srsge kicsi, gy nem okoz vagy jrulkos tmegnvekedst a telepekben. Htrnyos tulajdonsga viszont, hogy ellltsa nagyon drga, egy tzelanyag cella kltsgnek krlbell felt teszi ki. Msik elnytelen tulajdonsga a trkenysg, ami gy megnehezti a telep sszeszerelst. Felhasznlsi mrett tekintve nhny mm vastagsg elegend, mert a grafit porzus anyag, s a hangsly a reagens tzelanyagok egymstl val elvlasztsn van. Tekintsk t a fbb bipolr lemez tpusokat!

10. bra: PEMFC-telep vzlata

9. bra: PEMFC-telep

8. bra: Kapocsfeszltsg-vltozsa leveg hozzvezetssel

9

8.1. Fmflia alap bipolr lemez A fmflia alap bipolr lemezek nagy elnye az alacsony gyrtsi kltsg s j alakthatsg. Vkony fmflibl kszl, de gy nem nyjt megfelel vdelmet a korrzi ellen. Ennek megoldsa lehetsges korrzigtl bevonatok, rtegek felvitelvel a lemezre, de ez jelentsen megnveli a gyrtsi kltsgeket. Ma mg folynak az ez irny fejlesztsek.

8.2. Grafitos bipolr lemez A PEMFC tzelanyag-cella zemi hmrsklet-tartomnyban a grafit stabil. 500C-ig nagyon j h s elektromos vezetkpessggel rendelkezik. Ms anyagokkal val kompozitkpzssel a grafit szilrdsgi tulajdonsgai is javthatk, gy a grafit bipolr lemezek az albbi anyagokbl kszlhetnek: - szinter grafit, melynek prosait folykony mgyantval tltik ki. A gyanta kikemnyedse utn a kompozit bipolr lemezz alakthat - grafit-manyag keverk, amely grafitpor s termoplaszt illetve duroplaszt keverkbl ll - natr grafitflia, amelyet tbb lpcss hengerlssel lltanak el. A vkony nagy porozits lemezek gyanta bevonatot kapnak, amely a mechanikai szilrdsgot javtja.

A bipolr lemezek gzbevezetst klnbz gyrtk eltr mdon oldjk meg, de a lnyeg a reagens anyagok egymstl val elvlasztsa. sszegzsknt elmondhat a PEMFC-telepekrl, hogy gpjrmves alkalmazsra a tzeanyag-cella vltozatok kzl messze a legalkalmasabb, mert nagyon rvid az elmelegtsi id szksglete, dinamikus s hirtelen terhelsvltozsokhoz jl alkalmazkodik. Hztartsi energiaelltsban is jl hasznlhat, decentralizlt energiaelltsban nagy szerepet vllalhat a jvben.

9. Egyb tzelanyag-cella tpusok

A tzelanyag-cella tpusok tbb szempont szerint rendszerezhetk: zemi hmrsklet szerint megklnbztetnk alacsony s magas hmrsklet tpusokat. Az zemi hmrsklet szerinti csoportosts lthat a 11. brn. zemi nyoms szerint nagynyoms, kzepes- s kisnyoms (atmoszfrikus nyoms) tpusokat. Az alkalmazott elektrolit szerinti feloszts a leggyakoribb:

- PEMFC (Proton Exchange Membran Fuel Cell):

protonvezet membrn-elektrolitos tzelanyag-cella

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

- DMFC (Direct metanol Fuel Cell): Direkt metanol

tzelanyag-cella - PAFC (Phosphoric Acid Fuel

Cell): Foszforsavas tzelanyag-cella

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

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

Az egyes tzelanyag-cella tpusok rvid ismertetse sorn megvizsgljuk mkdsket s lehetsges alkalmazsi terleteiket.

11. bra: Tzelanyag-cellk csoportostsa zemi hmrsklet szerint

10

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

Az AFC a legrgebbi kpviselje a tzelanyag-cella technolginak. Az elektrolit 30-45%-os vltoztathat koncentrcij klilg (KOH). Ez a fajta elektrolit hidroxid-ion (OH-) vezet. A hidroxid ionok a katdon kpzdnek s az elektroliton keresztl vndorolnak az andhoz, ahol a hidrognnel kmiai reakciba lpnek.

Els andreakci: + -

22 4 + 4eH H

Els katdreakci: 2

2 4 2O e O

Msodik katdreakci 2

22 2 4O H O OH

A hidroxid ionokat az elektrolit az andhoz tovbbtja

Msodik andreakci: 24 4 4H OH H O

A klnbsg teht a mr rszletesen bemutatott PEMFC tzelanyag-cellhoz kpest, hogy az elektrolitban OH- ionok ramlanak, s ellenttes irnyban. Ezt lthatjuk a 12. brn. Az AFC zemi hmrsklete 60-90C, alacsony. Az elektrdk nikkel-platina bevonatak. Nagyon rzkeny CO2-mrgezsre, ezrt csak nagy tisztasg gzokkal zemeltethet. rhajkon s tengeralattjrkon alkalmazzk. Hatsfoka 60%.

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

A DMFC tzelanyag-cella folykony metanolbl llt el elektromos s henergit.

Els andreakci: 3 2 2 23CH OH H O CO H

Msodik andreakci: 23 6 6H e H

A protonokat az elektrolit a katdhoz tovbbtja

Els katdreakci: 2

23/ 2 6 3O e O

Msodik katdreakci:2

23 6 3O H H O

A DMFC tulajdonkppen a PEMFC egyik varinsa, a klnbsg csak abban ll, hogy hidrogn helyett vizet s metanolt vezetnk az andhoz. Problmaknt jelentkezik a metanol bejutsa az elektrolitba. Ilyen esetben a protonokkal reakciba lp, s cskkenti a cella sszhatsfokt. Ezrt az elektroliton palldium zrrteget alaktanak ki, amely csak a protonokat engedi t. A DMFC zemi hmrsklete 100-130C, zemi nyomsa 1,5-4 bar. Az elektrdk platina-palldium bevonatak (CO2) mrgezs elkerlse). Fontos a metanol-vz sszettel pontos belltsa, mert tl alacsony metanol koncentrci esetn kevs hidrogn ktdik meg, tl nagy koncentrci esetn viszont a mr emltett elektrolit szennyezds kvetkezik be. A megfelel arny krlbell 1:1. Az zemi hmrsklet belltsa is fontos, mert alacsony hmrskleten a reakcik lassan jtszdnak le, magas hmrskleten viszont a protonvezet membrn-elektrolit kiszrad. Az zemi nyoms 1 barral trtn emelse 20mV-tal nveli a cellafeszltsget. A metanol bevezetse folykony halmazllapotban idelis. Alkalmazsa fleg kis teljestmny hordozhat eszkzkben lehetsges, pldul szmtgpekben.

12. bra: AFC tzelanyag-cella vzlatos mkdse

13. bra: DMFC tzelanyag-cella vzlatos mkdse

11

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

A PAFC mkdse szintn nagyon hasonl a PEMFC-hoz. Hidrognt s oxignt hasznl. Elektrolitknt magas koncentrcij vzmentes foszforsavat alkalmaznak, amellyel a szndioxid nem kpes reakciba lpni, gy lehetv vlik fosszilis tzelanyagokbl reformeljrs sorn kinyert kis szndioxid tartalm hidrogn bevezetse is. A vgbemen reakcik:

Andreakci: 22 4 4H e H

A protonokat az elektrolit a katdhoz tovbbtja

Els katdreakci:2

2 4 2O e O

Msodik katdreakci: 2

22 4 2O H H O

A PAFC tzelanyag cella hatsfoka alacsony, mindssze 40%, viszont a tbbi tpushoz kpest fejlesztse sokkal elrehaladottabb. zemi hmrsklet s nyoms nvelsvel a cellafeszltsg is n. Teljestmnye 200 kW-tl akr 10 MW is lehet, ezrt hermvekben alkalmazhat (pldul Tokiban 11 MW-os PAFC).

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

Elektrolitja olvadk llapot alkli karbont, pldul Li2CO3, vagy K2CO3. Az ionvezets karbont ionokkal trtnik. Az andhoz hidrogn vagy metn vezethet, a katdhoz oxign s szndioxid hozzvezetsre van szksg, mert a szndioxiddal biztostott az oxign karbont ionokk val alakulsa, amely gy mr szabadon ramolhat az elektrolitban. A karbont ionok ramlsi irnya teht a katd fell az and fel tart (ld. 15. bra).

Els andreakci: 22 4 4H e H

Els katdreakci: 2

2 4 2O e O

Msodik katdreakci:2 2

2 32 2 2O CO CO

A karbont ionokat az elektrolit az andhoz tovbbtja

Msodik andreakci: 2

3 2 22CO H H O CO

Az MCFC magas zemi hmrsklete 650C-on mkdik. Tzelanyagknt biogz s fldgz is hasznlhat. Ahhoz, hogy a karbont-kr fennmaradjon az andon kpzd szndioxidot, vzgzt s metn maradvnyokat leveg hozzkeversvel egy gettrbe vezetik, ahonnan a forr szndioxidot, vzzt s levegt a katdra juttatjk. Hatsfoka 60%-os, hermvekben, villamos ermvekben hasznlhat. Maximlis teljestmnye 500 kW.

14. bra: DMFC tzelanyag-cella vzlatos mkdse

15. bra: MCFC tzelanyag-cella vzlatos mkdse

12

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

A cella elektrolitja yttrium-oxiddal (Y2O3) stabilizlt cirknium-oxid. Ez csak magas hmrskleten vlik ionvezetv, ezrt a cella zemi hmrsklete 1000C krli. Az elektrolit oxign ionokat vezet a katdrl az andra a 16. brn lthat mdon. Tzelanyagai az MCFC-vel megegyeznek, de nincs szksg felttlen hidrogn alkalmazsra, brmilyen oxidlhat tzelanyag megfelel, ez nagy elny a tbbi tpussal szemben. Ezen kvl ellenttben a korbban bemutatott tzelanyag-cellkkal az MCFC magas zemi hmrsklete miatt sznmonoxid s szndioxid mrgezs nem lp fel. A lejtszd reakcik:

Els andreakci: 22 4 4H e H

Katdreakci: 2

2 4 2O e O

Az oxign ionokat az elektrolit az andhoz tovbbtja

Msodik andreakci:2

22 4 2O H H O

Az andhoz vezethet sznmonoxid is, ebben az esetben a hidrogn helyett a sznmonoxiddal lp reakciba a katdrl szrmaz oxignion az albbi reakciegyenlet szerint:

2

2 2CO O CO e

A SOFT tzelanyag-cella hatsfoka nagyon kedvez 55-70%-os, hermvekben villamos ermvekben s hztartsokban is alkalmazhat. Teljestmnye nhny kW-tl tbb szz kW-ig terjed.

sszegzsknt elmondhat, hogy a tzelanyag-cellk tulajdonsgai, mint a magas hatsfok, alacsony krosanyag kibocsts fejlesztse nhny Watt-tl tbb szk kW-ig nagy rfordtsokkal folyik. Alkalmazsi terlete nagyon szleskr, a gpjrmves lehetsgek mellett a mobil s stacioner zemben is hasznlhat. A fejlesztsi munkk sorn kialakul, hogy milyen terleten alkalmazott tzelanyag-cellkhoz milyen hajtanyag optimlis. tfog tanulmnyok szerint a hossztv tzelanyag cells hajts leggretesebb anyaga a hidrogn, azonban ennek nagytisztasg ellltsa s trolsa nehzsgekbe tkzik. Jelenleg az zemanyag cellk elterjedst leginkbb gtl tnyez a hidrogn-tlt llomsok nem meglte s a hidrogntrols megoldatlansga, valamint a jelenleg csak reformeljrs sorn elllthat hidrogn tisztasga. Stacioner zemben a tzelanyag-cella j lehetsget nyit a decentralizlt energiaellts kiptsben. Mobil berendezsek esetn lnyegesen hosszabb zemidt tesz lehetv.

10. Nhny jelenlegi alkalmazs, kutats

10.1. Az Opel PEMFC tzelanyag-cells prototpusa Az Opel 2004-ben bemutatta els zemkpes, tzelanyag-cells autjt, amely a Zafirn alapul, s PEMFC-tpus tzelanyag-cellt alkalmaz. Ami a tmeggyrtst illeti, az Opel a tzelanyag-cella s az elektromos hajts kombincijban lt minden egyb alternatv hajtsi rendszernl nagyobb lehetsget. A korszer belsgs motorokkal sszehasonltva a tzelanyag-cellnak sokkal jobb a hatsfoka, kn-dioxid (SO2) s nitrognoxid (NOx) kibocstsa pedig kzel nulla. A szn-dioxid (CO2) kibocsts csaknem megfelezdik. Drga s sok helyet foglal specilis hidrogntartlyok helyett a jrm metilalkoholt visz magval, hagyomnyos tzelanyag-tartlyban. A prototpusban tzelanyag-talakt rendszer llt el metanolbl hidrognben ds gzt. A mellktermk szn-dioxid. A folyamatban keletkez kis mennyisg szn-monoxidot kataliztor oxidlja szn-dioxidd, mieltt a gzt bevezetnk a tzelanyag-cellkba. A tzelanyag-cella j energiatalaktsi hatsfoknak ksznheten ez a hajtsi md kiegyenlti a metilalkoholnak a gzolajhoz viszonytott kisebb energiasrsgt. A jrm hattvolsga ennlfogva hasonl a hagyomnyos hajts autkhoz. Egy cella 0.7-0.9 voltos feszltsget kelt, a sorba kapcsolt cellk telepet kpeznek. A fejlesztett villanyram 50 kilowattos vltram motort tpll, amely egyfokozat tttelen keresztl hajtja az els kerekeket.

10.2. Hidrogn biztostsa tzelanyag-cella eltti reformrendszerrel Az elz pontban emltett Opel prototpus metanolbl nyert reformeljrssal hidrognt. Lehetsg van azonban kzvetlenl benzinbl is hidrogn kinyersre. Egy klnleges zemanyag-feldolgoz rendszer az zemanyag rszleges oxidlsval hidrognt termel. Ebbl a hidrognbl tzelanyag-cellban mr kzvetlenl megtermelhet annyi villamos ram, amely akr egy kzepes kategrij villanyautnak a folyamatos zemben tartshoz is elegend. Nincs teht szksg sem nagy terjedelm s nehz akkumultorokra, sem pedig a feltltskhz szksges drga ramtankolsi infrastruktrra. A hidrognt elllt zemanyag-feldolgoz egysg a laboratriumi ksrletekben benzinnel s etil-alkohollal mkdtt, de metil-alkohollal vagy fldgzzal is zemeltethet.

16. bra: SOFC tzelanyag-cella vzlatos mkdse

13

10.3. Gzturbinval kombinlt ramfejleszts Az elektromos teljestmnyek s egyttal a hatsfokok maximalizlsra az ramfejlesztk a hermvektl az atomermvekig az gynevezett kombinlt ciklusok mdszert alkalmazzk. A tzelanyag-cells ramtermelst is kifizetd ms ramtermel mddal kombinlni, pldul a szilrd oxidos tzelanyag-cellhoz gzturbint adni (a SOFC zemi hmrsklete 1000C krli). A kombinci azrt elnys, mert egyszerre kt problmt is megold: nveli a hatsfokot s nem lp fel a kis gzturbink nll hasznlatakor keletkez viszonylag sok nitrogn-oxid. A kis, 10 MW-osnl kisebb gzturbink hatsfoktartomnya 25-30%. A kombinlt rendszer teljestmny-beruhzsi kltsg arnyt tekintve is elnys. gy vlik, hogy a kombinlt rendszer teljestmnyre szmtott beruhzsi kltsge jval alacsonyabb lesz, nagyjbl annyi, mint az nll, kisebb hatsfok gzturbins ermvek. A vzolt hibrid rendszerben, amelyben a tzelanyag-cellk gkamraknt mkdnek, amennyiben biztostjk a plusz elektromos energit termel turbina meghajtshoz szksges forr gzramot, a tzelanyag elektromos energiv alaktsnak hatsfoka mg az 1 MW-osnl kisebb mretben is 60% fl emelkedik. Ez jval magasabb, mint brmely ms (azonos mret) elektromosenergia-termel rendszer hatsfoka (17. bra). Nagyobb rendszerekkel a 100400 MW-os tartomnyban 75% feletti hatsfok rhet el. Viszont mg az ebbe a teljestmnytartomnyba tartoz gzturbink kereskedelmi forgalomban kaphatk, az ekkora ermvekhez szksges tzelanyag-cellkat valsznleg csak egy-kt vtized mlva lesznek kpesek gyrtani. Pillanatnyilag a kis, vagy mikrotzelanyag-cellkbl s gzturbinkbl ll rendszerek kutatsa-fejlesztse folyik.

11. Felhasznlt irodalom

1. Dr. Emd Istvn Tlgyesi Zoltn Zldy Mt: Alternatv jrmhajtsok

2. Gregor Hoogers: Fuel Cell Technology

3. http://www.sulinet.hu/eletestudomany/archiv/1998/9805/jovo/jovo.html

4. http://www.gjt.bme.hu/sajtotaj/opel/opel-6/Opel-6.html

5. http://www.kfki.hu/chemonet/hun/olvaso/kemia/tc.html

6. http://www.fuelcell.hu/fuelcells.php

7. http://www.matud.iif.hu/02dec/olah.html

16. bra: SOFC s turbinbl ll hibrid ramfejleszt