5.6

Országok listájaHungarySzegedi TudományegyetemTermészettudományi és Informatikai Kar (SZTE-TTIK)Nem tanári szakokBiológia BScKörnyezeti KatalízisKiadott Anyag5.6

Tüzelanyagcellák - Fuel cells
A tüzelanyagcella két elektródból és a köztük lév elektrolitból áll. Az egyik elektródhoz oxigént, a másikhoz hidrogént vezetve elektromos áramot, ht és vizet termel. A hidrogént vezetjük az anódhoz, az oxigént a katódhoz. Az elektródok katalitikusan aktív anyagot tartalmaznak, ezen a hidrogén protonná és elektronná alakul. A proton áthalad az elektroliton és a katódon az oxigénnel és az áramkörön át megérkez elektronnal vízzé alakul.

Tüzelanyag cellák kapcsolási vázlata
a. hidrogén /széndioxid gázkeverékre b. metanolra, dimetiléterre

1

Tüzelanyagcella elektromos energiájával hajtott jármvek
tüzelanyag: hidrogén csak víz Jellemzk:
· kitn hatásfok a teljes üzemelési tartományban · gazdaságos üzemmód · H2 esetén nincs környezetszennyez emisszió · H2 elállítható alternatív energiaforrásokkal (vízbontás napenergiával, mikroorganizmusokkal) · kis méretek, kis tömeg (nincs holtteher) · csendes üzemmód · nincsenek mozgó alkatrészek (karbantartás!) · folyamatosan üzemelhet · állandó feszültséget szolgáltat · a hidrogénkészlen nem fogy el · az elektromos hajtás elnyei érvényesülnek

metanol, benzin, földgáz

CO2, víz

Tüzelanyagcella elvi vázlata

HIDROGÉNTÁROLÁS

CSEPPFOLYÓSÍTÁS VEGYÜLET (hidrid) ADSZORPCIÓ (szén nanocs)

Tüzelanyagcella

2

Tüzelanyagcellával hajtott elektrogépkocsi

Tüzelanyagcella hatásfoka
Termodinamikai hatásfok: efftd = G/H G = - n*F*E ahol n az elektronszáma a folyamatnak, F a Faraday konstans (96500 A*s) E az elméleti cellapotenciál. Ebbl levezethet az elektrokémiai hatásfok: effel = V/E ahol V a cellafeszültség. A hidrogén-oxigén cellára 25 oC-on a megfelel értékek: H = -287 kJ/mol, G = -238 kJ/mol, S = -164 JK-1mol-1, n = 2 Ezekbl az értékekbl számolva efftd = 0,83, E = 1,23V Terhelés alatt (100 mA/cm2) a cella feszültség kb. 0,85 V lehet. Ebbl az elektrokémiai hatásfok: effel = Vterh/E = 0,85/1,23 = 0,69 A termikus hatásfokot úgy kapjuk, hogy kiszámoljuk a hidrogén-oxigén reakció entalpiájából a vonatkozó feszültséget: (287 kJ/mol)/(2*96,5 kA*s) = 1,5V 0,85/1,5 = 0,57

3

Alkálikus elektrolittal a következ reakciók játszódnak le: A katódon: O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OHAz anódon: 2 H2 + 4 OH- 4 H2O + 4 eA bruttó reakció: 2 H2 + O2 2 H2O Savas elektrolittal a következ reakciók játszódnak le: A katódon: ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O Az anódon: H2 2 H+ + 2 eA bruttó reakció: H2 + ½ O2 H2O

Proton cserél membrán cella:
Nafion membrán, elektrokatalizátor, porózus karbon elektródon.

4

TEM-kép a 20 t.% Pt3Sn/Vulcan E-TEK katalizátorról

A tüzelanyag cellák osztályozása Direkt Közvetlenül oxidálják az üzemanyagot

Indirekt Elzetes üzemanyag átalakítással mködnek, ez csökkenti a hatásfokot

Mködési hmérséklet szerint: Nagy közepes alacsony Mködési nyomás szerint: Nagy közepes alacsony Az üzemanyag és az oxidálószer szerint: Gázalakú reaktánsok (hidrogén, ammónia, leveg, oxigén) Folyadék üzemanyagok (alkoholok, hidrazin, szénhidrogének) Szilárd üzemanyagok (szén, hidridek) Elektrolit szerint: Lúgos cellák (AFC). Foszforsavas cellák (PAFC). Karbonát olvadékos cellák (MCFC). Szilárd oxid cellák (SOFC). Protoncserél membrános cellák (PEMFC). Az elektrolit lehet folyadék halmazállapotú, ezek a mobil elektrolitos rendszerek, ha az elektrolit szilárd mátrixba van felitatva, akkor ezeket immobil vagy mátrix rendszereknek hívják. AFC: KOH oldat elektrolit, CO2 mentes üzemanyagot és levegt igényel. Az elektródok lehetnek nikkel, vagy platina fémmel készültek, a katód szénbl és manyagból.

5

MCFC: anód porózus nikkel, oxidokkal keverve, a katód lítium tartalmú szinterelt nikkel-oxid. Az elektrolit Li-K karbonát, lítium-aluminát mátrixban, a cellák bipoláris konfigurációjúak. Mködési hmérséklet kb. 700oC. Tipikus elektród reakciók: Anódon H2 + CO32- H2O + CO2 +2 eKatódon ½ O2 + CO2 +2 e- CO32PAFC: elektrolit foszforsav szilíciumkarbid mátrixban, elektródok Pt/C/PTFE, bipoláris lemezek grafit-manyag kompozitokból készülnek. Ezek a cellák átalakított üzemanyaggal is mködnek, mert a széndioxid és a szénmonoxid nem zavarnak. PEMFC: elektrolit lemez szulfonált politetrafluoretilén. SOFC: elektrolit Y2O3 és ZrO2 keveréke, mködési hmérséklet 1000oC. Anódos reakciók: H2 + O2- H2O + 2 eCO + O2- CO2 + 2 e- O2Katódos reakció: ½ O2 + 2 e Anód anyaga Ni/ZrO2, katód anyaga LaMnO3.

Siemens PEMFC egység
Teljesítmény Feszültség Elektromotoros er Áramleadás Cellaméret Térfogat Tömeg Cellák száma +Integrált H2 nedvesít 40 kW 109 V 160 V 350 A 41 × 41 × 5 6 cm3 94 L 280 kg 160

6

Stabil beépítés tüzelanyagcella rendszer részei
+gáz kompresszorok, reformer, katalitikus éget, áramátalakító.

Elnyök Fosszilis tüzelanyag megtakarítás a jobb hatásfok révén Kis szennyezés Ivóvíz minség vizet termelnek Kevés mozgó alkatrész Kis zajszint Kis karbantartás igény Nagy bekerülési költség

Hátrányok

A gázalakú üzemanyag tárolók nagy tömege és térfogata A hidrogén cseppfolyósítás energiaigénye mintegy 30%-a a tárolt energiának A tiszta hidrogén jelenleg túl drága. Nem versenyképes A hidrogén elosztó infrastruktúra jelenleg hiányzik A cellák élettartama nem ismert pontosan (40e óra savas, 10e óra lúgos, 5e óra nagy hmérséklet cellákkal az eddig elért üzemid laborban) A lúgos cellákban elbomlik a széndioxid, emiatt a hidrogénbl és a levegbl el kell távolítani A szénhidrogének direkt oxidációjával mköd cellák húsz év kutatás után is laboratóriumi szinten vannak

Gyors beindítás A regeneratív hidrogén-oxigén rendszer energiatárolást tesz lehetvé Olcsó ftanyagok használhatóak a nagy hmérséklet rendszerekben Az együttes htermelés rendszerek hatásfokát javítja a nagy hmérséklet

A tüzelanyag cellák alkalmasak a jövbeli nukleáris-szolárishidrogén folyamatokban A tüzelanyagcellás autó battériák az elektromos jármveket hatékonyabbá és újratölthetvé teszik Hidrogén és oxigén elektródokat más rendszerekben is használnak (Ni-H2, Zn-leveg, Al-leveg)

7

Különböz tüzelanyagcellákban használt anyagok

Különböz tüzelanyagcellák mködési paraméterei

8

Necar III elektromos autó a Daimler-Benz fejlesztésében

Sztereoszelektív reakciók a nem kívánt izomer csökkentésére

OH 3 H2 Pd/C katalizátor víz OHHO

NHCOCH3

NHCOCH3

transz-acetamino ciklohexanol 80 %-os sztereoszelektivitás

· A hidrogénezés közti terméke ciklohexanon származék, lúgos közegben az ekvatoriális alkohol képzdik feleslegben.

9

Katalitikus aszimmetrikus szintézisek
Minden 100% szelektivitású lépés megfelezi a kiindulási anyag szükségletet !

· Homogén, átmenetifém katalizált reakciók, királis ligandumok használatával

· Heterogén katalitikus reakciók, királis szintonok vagy módosítók alkalmazásával, elssorban folyadék fázisú hidrogénezések

Biomimetikus katalizátorok Fotokémiai, elektrokémiai átalakítások · Enzimeket utánzó komplex katalizátorok: Jacobsen katalizátor oxidációban · ,,Ship in the bottle" katalizátorok · Fénnyel iniciált, TiO2-dal katalizált oxidációk · Elektrokémiai redukciók és oxidációk

10

Fokozottan szennyezett vizek tisztítása
· Tömény kommunális szennyvizek · Mezgazdasági, állattartásból származó szennyvizek · Ipari szennyvizek
­ Szénhidrogének ­ Fémvegyületek ­ Vegyianyagok ­ Élelmiszeripari szennyvizek

Biológiai tisztításhoz elkészítés
· KOI (kémiai oxigén igény) csökkentése · Mérgez anyagok eltávolítása vagy elbontása · WAO-wet air oxidation- nedves levegs oxidáció, emelt hmérsékleten és nyomáson (>250oC és >100 bar)

11

12

Oxidációs reakciók WAO közben

Eastman Fine Chemicals (Newcastle, UK) A KOI értéke 70 és 80 kg m-3, nagy mennyiség szulfit tartalom. US Filter/Zimpro buborékoszlop reaktort készített, bels titán borítással. A mködési hmérséklet 265°C, A nyomás 110 bar (levegt használnak) a névleges áramlási sebesség 0.7m3h-1, ami 2.5 h tartózkodási idnek felel meg. Az oxidáció mértéke 97%. Monthey Switzerland and Grenzach Germany 2 buborékoszlop reaktor sorba kötve, mindkett titánnal bélelt. Átmér 1 m, a magasság 25 m. Névleges paraméterek: KOI: 110 kg m-3, hmérséklet: 295°C, nyomás: 160 bar, Áramlási sebesség: 10 m3 h-1, azaz kb. 20 tonna KOI/nap, a tartózkodási id nagyobb, mint 3 h. Hordozó nélküli réz katalizátort használnak, amit szréssel választanak el és visszaforgatják. Az ammóniát sztrippelik, A véggázt utóéget reaktorban oxidálják a CO eltávolítására.

13

Wet air oxidation. A KOI függése az oxidáló ágens arányától T=280°C; nyomás=110 bar.

A nedves oxidáció hatékonyabb változatai
· CWAO katalizátorok alkalmazása az oxidáció gyorsítására és így a hmérséklet csökkentésére, nehézség a katalizátorok élettartamának biztosítása. · SWAO szuperkritikus körülmények között végzett oxidáció, a vízben (374oC és 2.21*107 Pa = 221 bar), mint szuperkritikus állapotú oldószerben. Ilyen körülmények között minden szerves anyag széndioxiddá és vízzé alakul.

14



Hasonló témájú dokumentumok

Hozzászólások

16 5. előadás 7. gyakorlat acélgyártás alap algoritmus általános kémia általános médiaismeretek ambrus judit anglia anyag bakteriólógia bevezetés citrátkör elektro emission trade épszerk eu agrárpolitikája fmea fogalomtár fogyasztói füst globális logisztika gótika iii infláció jogelmélet jpg kiadott anyag kisebbség könyvtárinformatika kritgyak lakoma log makro mazzag éva mikrobiológia mindennapok kémiája minőség minta növényrendszertan objektum orientált oktatói kiadott anyag ppt rékai miklós rezgéstan tarnóczi féle teszt turizmus szak vegyes szakjog vektor