Fizika | Energetika » Kósa Zsigmond - A hidrogén üzemanyagcella

Budapesti Műszaki Főiskola – Kandó Villamosmérnöki Kar Villamosménök (BSc) szak – távoktatás Készítette: Kósa Zsigmond Neptun kód: GD32LE A hidrogén üzemanyagcella Beadási határidő: 2006. november 30 Villamosipari anyagismeret tantárgy Tanár: Dr. Pélyi Bertalan Tartalomjegyzék A hidrogén üzemanyagcella . 1 1. Bevezető 3 2. Üzemanyagcellák 4 2.1 Története, kialakulása. 4 2.2 Felépítése:. 4 2.3 Típusai: . 5 3. Leggyakoribb üzemanyagok: 6 3.1 Metanol. 6 3.2 Hidrogén (latinul: hydrogenium, H). 6 3.21 Hidrogén előállítása. 6 3.22 Atomerőművek, amelyek alkalmasak hidrogén előállítására:. 7 4. Hidrogén üzemanyagcella működése 8 5. Felhasználási területek 8 5.1 Háztartási rendszer . 9 5.2 Hidrogén autó . 9 6. Jövőkép 11 7. Felhasznált irodalom 12 2 1. Bevezető Napjainkban, mikor a környezetszennyezés, eddig sosem látott méreteket ölt, és a Föld energia készleteinek ilyen mértékű kiaknázása

mellett néhány évtized múlva kimerülhetnek a kőolaj tartalékok, igény merült fel alternatív energiaforrások, és energia termelők fejlesztésére. Az energia ellátás egyik részét képezik az atomenergia felhasználása, a napenergia és szélenergia hasznosítása, valamint jelen dolgozat témája is, az üzemanyagcellák fejlesztése. Jellemzőik, hogy 0 emissziós káros anyag kibocsátású energia előállító berendezések készíthetők, amivel a természetes környezeti (biológia) egyensúly fenntartható (esetleg visszaállítható). Egyértelmű előnyük a hagyományos energiákkal szemben, hogy nagyobb hatékonysággal, kevesebb káros anyag kibocsátás érhető el, valamint az üzemanyag átalakító (reformer) segítségével, szinte bármelyik alternatív tüzelőanyag felhasználására alkalmas lehet. 3 2. Üzemanyagcellák 2.1 Története, kialakulása  A walesi születésű Sir William Grove (1811-1896) oxfordi végzettségű fizikus

1839-ben az elektrolízis vizsgálatánál elektromosságot alkalmazva igazolta, hogy annak folyamata visszafordítható. Kísérletében az elektródák környezetébe egyik oldalról hidrogén tartalmú oldatot, míg a másik oldalról oxigén tartalmú oldatot vezetett, az elektródák között fellépő feszültséget mérte. Kezdetben ezt "gas battery"-nek, később "fuel cell"-nek nevezték el. Ezzel a gőzgépnek kívánt vetélytársat teremteni, életében nem nagy sikerrel  1889-ben Charles Langer és Ludwig Mond levegő és széngáz üzemű cellák kísérletei  Werner von Siemens "hideg égetésnek" nevezett elektrokémiai eljárása hidrogén és oxigén cellákkal, elsősorban tengeralattjárók üzemanyagaként kívánt hasznosítani  1932-ben Langer és Mond eljárását Fracis Bacon fejlesztette tovább, 1959-ben 5 kW-os berendezést mutatott be és ugyanebben az évben Harry Karl Ihrig egy 20 lóerős traktort mutatott be

üzemanyagcella hajtással.  A második világháborút követően a NASA fektetett nagy erőket az üzemanyagcellák fejlesztésébe, (amit a hidegháború csak fokozott). Céljuk az üzemanyagcellák felhasználása az űrkutatásban, elsősorban az Apolló programra koncentrálva. Azóta bevált rendszer lett az űrkutatásban, szinte minden programban helyet kap.  A 70-es évek végén az olajválság újabb lendületet adott a fejlesztéseknek, és lényegében ezek adták a kiinduló alapot napjaink üzemanyagcelláihoz. 2.2 Felépítése: Az üzemanyag cellák jellemzője, hogy (az elemekhez hasonlóan) kémiai reakció során, közvetlenül elektromosságot tudnak előállítani, - azzal a különbséggel, hogy míg az elemek lemerülnek, az üzemanyagcellák addig képesek működni, amíg üzemanyagot töltünk bele. Az üzemanyagot katalizátor segítségével felbontja elektronokra (-) és protonokra (+), a protonok keresztül áramlanak az elektroliton, míg az

elektronok a katódon keresztül az anód felé tartanak, ide kell közbeiktatni a fogyasztót (villanymotort, vagy a háztartási berendezéseket). Az anódon visszalépve, az elektronok reakcióba lépnek a protonokkal valamint a hozzáadott levegő oxigénjével, és víz formájában távozik. Jellemzőjük, hogy nincs káros anyag kibocsátásuk, valamint az előállítható méretük miatt alkalmas mobil eszközökben való felhasználásra is. Leggyakoribb alkalmazási területük:  hidrogén üzemű autók  háztartási rendszerek  mobil eszközök  erőművek, stb. 4 Üzemanyag-átalakítót (reformert) tartalmazó berendezések, szinte bármilyen éghető anyaggal működőképesek, földgáztól, a metanolon át a gázolajig. Egyenáramot hoznak létre, de inverter alkalmazásával váltó árammá lehet alakítani. Mivel az üzemanyagcella elektrokémiai reakción alapul, és nem égésen, így mindig tisztább emissziót eredményez, mint az égés. 1.

ábra Reformert alkalmazó, földgázzal üzemelő hidrogén cella sematikus rajza (Forrás: www.foekhu) 2.3 Típusai: 1. Táblázat Üzemanyagcellák típusai és tulajdonságai (Forrás: wwwfoekhu) Üzemanyagcella típusa Elektrolit Működési hőmérséklet Elektromos hatásfok Üzemanyag Felhasználási terület AFC alkáli elektrolitos cella PEMFC membránú cella 30% káliumhidroxid oldat, gél Proton áteresztő membrán 80°C Elméleti: 70% gyakorlati: 62% - tiszta H2 - O2 - Járműipar - hadiipar 80°C Elméleti: 68% gyakorlati: 50% - tiszta H2 - O2 - levegő DMFC direkt metanol membrán PAFC foszforsavas cella MCFC alkálikarbonátsó cella Proton áteresztő membrán 80°C-130°C Elméleti: 30% gyakorlati: 26% Tömény foszforsav 200°C Elméleti: 65% gyakorlati: 60% Lítium-karbonát kálium-karbonát 650°C Elméleti: 65% gyakorlati: 62% SOFC oxidkerámia cella Yttrium-cirkon oxidkerámia 800°C-1000°C Elméleti: 65% gyakorlati: 62% -

Metanol - O2 - levegő - tiszta H2 - O2 - levegő - H2 - földgáz - széngáz - biogáz - levegő - O2 - H2 - földgáz - széngáz - biogáz - levegő - O2 - Blokkfűtő erőmű - jármű ipar - hadiipar - Mobiltelefon - laptop, stb. áramforrása - Blokkfűtő erőmű - áramforrás - Gőzturbinás, kétlépcsős blokkfűtő erőmű - áramforrás - Gőzturbinás, kétlépcsős blokkfűtő erőmű - áramforrás 5 3. Leggyakoribb üzemanyagok: 3.1 Metanol A metanol (metil-alkohol, faszesz, CH 3 OH) színtelen, égető ízű, éghető folyadék. A faszesz elnevezést arról kapta, hogy korábban száraz fa lepárlásával állították elő. Faecet desztillálásával történő előállításkor (a berendezés minőségétől függően) különböző mennyiségű metil-acetát, aldehid és etil-alkohol is keletkezik. A DMFC direkt metanol membrán típusú üzemanyagcellákban használják. Mivel nagyon kis méretekben is előállítható üzemanyagcelláról van szó, mobil

telefonok, laptopok, és más hordozható készülékek áramforrásaként használható. 3.2 Hidrogén (latinul: hydrogenium, H) Normál állapotban, színtelen, szagtalan, igen gyúlékony gáz. A világegyetem legkönnyebb, leggyakrabban előforduló eleme, a Földön elsősorban vegyületek formájában, a vízben, minden szerves vegyületben, és minden élőlényben is jelen van. 3.21 Hidrogén előállítása Hidrogén előállítására többféle módszer létezik.  Vízbontás (hidrolízis) – erőművekben termelt árammal lehetséges, de az előállítás költséges, és az eredeti funkció, a 0 emisszió is elveszik, ha hőerőművekkel állítják elő. Atomreaktorokban termelt árammal is, csak csúcsidőszakon kívül érdemes előállítani.  Földgázból is előállítható hidrogén, de nem használják.  Szintézisgázból való előállítás, szintén nem használják nagy mennyiség előállítására.  Legújabban atomreaktorokban való

előállítás a legmegfelelőbb mód. Előnye az előző módszerekkel szemben, hogy nem keletkezik szén-dioxid, így valóban megvalósítható a 0 emisszió, míg a hátránya, hogy nem minden atomreaktor alkalmas rá. A módszert „jódkén módszernek” hívják, és a lényege, hogy az atomerőmű hőjét kihasználva jód és kénsav hozzáadásával bontják a vizet. Mivel a reakciók során a kén és a jód visszanyerhető, így csak a reakció közbeni „kopást” kell pótolni, tehát a kiinduló vízből, hidrogén és oxigén keletkezik. A kémiai reakció az alábbi ábrán látható: 6 2. ábra Atomerőmű hőjével előállított hidrogén kémiai reakciói (jód-kén módszer) (Forrás: A hidrogén autó videó, CHIP magazin, 2006. február) 3.22 Atomerőművek, amelyek alkalmasak hidrogén előállítására:  Magas hőmérsékletű gáz-hűtéses reaktor (HTGR)  Fejlett magas hőmérsékletű reaktor (AHTR) fluorid só adalék hűtéssel, a fluorid

sók magas hőmérsékleten cseppfolyósak  Ólom (folyékony állapotban) hűtésű reaktor (orosz BREST típusú)  A legújabbat pedig Dél Koreában készülnek megépíteni, amely alkalmas hetente 30000 tonna hidrogén előállítására. 7 4. Hidrogén üzemanyagcella működése 3. ábra A Ballard cég által előállított hidrogén cella működése (Forrás: www.ballardcom) Amint a képen is látható, a bal felső nyíláson bekerül az üzemanyag, a hidrogén. A beáramló üzemanyag mennyiség két részre oszlik, egyik része, amelyik találkozik az anóddal és a katalizátorral, protonokra és elektronokra bomlik, míg a másik része visszakeringtethető az üzemanyag tartályba. Azok amelyek felbomlottak a protonokat átengedi a katalizátor réteg, míg az elektronok az anódon keresztül elindulnak a katód felé, ide iktatható közbe a fogyasztó, majd azon keresztül a katódon belép a jobb oldali tartályba és ott a katalizátor által átengedett

protonokkal ismét egyesül, és a levegő oxigénjének hatására vízzé alakul. A víz mellett hő is termelődik, amit levegő vagy vízhűtéssel vezetnek el. 5. Felhasználási területek A szénhidrogén alapú tüzelőanyagokhoz hasonlóan (földgáz, szén, kőolaj, stb.) nagyon sokféle felhasználási területe lehetséges, akár nagy ipari méretekben is. Leggyakrabban hidrogén autóban, mobil eszközökben (mobiltelefon, laptop, stb.), háztartási berendezésekben, és erőművekben használják. Bár az atomerőművekben előállított energia költségeivel nem tud versenyre kelni, mégis hatékony és környezetkímélőbb megoldást jelent, mint az eddig alkalmazott égésen alapuló szénhidrogének felhasználása. 8 5.1 Háztartási rendszer 4. ábra Teljes háztartási rendszer felépítést ábrázoló rajz (Forrás: www.foekhu) Háztartási rendszer kialakításánál az üzemanyagcella, csak egy építő kő, rajta kívül a rendszer tervezésekor

figyelembe kell venni az alábbiakat:  elvezetni / hasznosítani a keletkező hőt (pl. fűtésre felhasználni)  hiba esetén működésbe hozni a biztonsági lekapcsoló berendezést  a fel nem használt energiát megfelelően visszacsatolni az elektromos hálózat felé (az ELMŰ fizet érte)  a keletkező égéstermékek felfogása / tárolása, esetleg hasznosítása, stb. Nagyobb méretekben akár egy települést is képes ellátni energiával. Érdekesség: Az USA-ban a Dow Chemical és a GM létrehoztak egy olyan mobil mini erőművet, amely egy kamionba van építve és bárhol képes 35 MW teljesítményű áram leadására. Jól használható akár katasztrófa elhárításnál is, ha áramra van szükség. 5.2 Hidrogén autó Nagyon sok gyártó készített már hidrogén üzemanyagú autót, többek között a General Motors, a BMW, Mercedes, Toyota, stb. Az USA-ban kiszámították, hogy egy autós naponta átlagban 200 km-t tesz meg autójával, ekkora

távolságra 3 kg hidrogén szükséges. Itt merült fel a probléma, a hidrogén tárolása. 3 kg hidrogén tárolására 403 kg tömegű acél palackra lenne szükség Ez természetesen nem járható út, hiszen ekkora plusz tömeget nem képesek az autók szállítani. A Quantum Technologies Inc. Of Irvine (California) kifejlesztett egy kompozit anyagokból álló palackot. Felépítése: Alumínium palack, bevonva karbon szálakkal, amit speciális műgyantával rögzítenek. Ez a palack alkalmas 10000 psi üzemi nyomáson (15 psi ≈1 atmoszféra), cseppfolyós hidrogén tárolására. A hidrogén -253 °C-on cseppfolyós, ezért a palackokat szigetelni is kell. 9 5. ábra A Quantum Technologies által kifejlesztett kompozit palack, jól látszanak rajta a kompozit szálak Mivel a hidrogén autónál a tárolás jelenti a legnagyobb költséget, ezért több fejlesztés is erre irányul. 6. ábra A hidrogén tárolásához szükséges költségek csökkentésére irányuló

előrejelzések (Forrás: www.ballardcom) Hidrogén tárolására más megoldások is fejlesztés alatt állnak:  szilárd állapotban, nátrium borohidrid formájában. A nátrium borohidrid egy fehér, stabil kristályos anyag, és vízzel reakcióba léptetve hidrogént és bóraxot ad, amely újra hasznosítható. NaBH 4 +H 2 O↔3H 2 +NaBO 3 10  Chewron-Texaco módszer: egyes fémek (palládium, platina, nikkel) nagy mennyiségű hidrogént képesek megkötni, és hő hatására ezt leadni. Ez a módszer még fejlesztés alatt áll. 6. Jövőkép Figyelembe véve a világ környezetszennyezési mértékét, és a természetben előforduló szénhidrogének (kőolaj, földgáz, stb.) tartalékainak csökkenését, mindenképpen szükség van új energia termelő eszközök létrehozására. A hidrogén alkalmas a „hagyományos” üzemanyagok kiváltására, ezt a már meglévő erőművek bizonyítják, a tárolása viszont, - a közhiedelemmel ellentétben, - nem

veszélyesebb, mint a benziné. Kísérletekkel bizonyították, hogy két autót, - az egyik benzinnel, míg a másik hidrogénnel volt feltöltve, - felgyújtottak, és mérték a keletkező hőt. A benzinüzeműnél megolvadtak az ablakok a hőtől, míg a hidrogénnél a mért hőmérséklet nem volt sokkal nagyobb, mint amit az emberek szaunázás közben viselnek el, tehát biztonsági szempontból is jobb megoldás. Nincs messze már, amikor Európában is az utakon hidrogén autók fognak járni, az Egyesült Államokban Californiában jelenleg 30 feletti már a hidrogén kutak száma, és továbbiak létrehozását tervezik. 2005-ben az USA hadserege is állított hadrendbe hidrogén üzemű terepjárókat. 11 7. Felhasznált irodalom www.ballardcom a Ballard cég honlapja www.fuelcellsorg The Online Fuel Cell Information Center honlap www.foekhu a Független Ökológiai Központ honlapja CHIP magazin 2006. február: Dr Vedres András: A hidrogén, mint üzemanyag című

előadása "Az innováció és a környezetvédelem" konferencia keretein belül, Budapest, 2005 Megjegyzés: Az elektronikus változat tartalmazza a házi feladatot Word DOC formátumban, a CHIP magazinban megjelent videót DVD Video formátumban, és a Ballard cég lapjáról letölthető, szemléltető videot Windows Media Video (WMV) formátumban. 12