PowerPoint bemutat

Prof. Dr Vajda IstvnBME Villamos Energetika TanszkMegjul energik villamos rendszerei (BMEVIVEM262)TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048A Projekt az Eurpai Uni tmogatsval, az Eurpai Regionlis Fejlesztsi Alap trsfinanszrozsval valsult meg

Tzelanyag-cellk(Kmiai-villamos genertorok)2. fejezet1. rszElsz s bevezetMegjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk3ElszA Kzvetlen energiatalaktk cm tantrgyat az 1970-es vek elejn Dr. Retter Gyula tanszkvezet egyetemi tanr felkrsre Dr. Lukcs Jzsef akadmikus, akkor a Villamosipari Kutatintzet (VKI) igazgatja vezette be a Villamosmrnki Kar ersram szak oktatsba.A tantrgy oktatsba a 80-as vektl bekapcsoldott jelen tantrgy szerzje, Vajda Istvn is. Idvel a tematika kibvlt a szupravezetk ersram alkalmazsaival kapcsolatos fejezettel.Ennek okn a tantrgy nevtSzupravezetk s kzvetlen energiatalaktk alkalmazsa nvre vltoztattuk.Tbb, mint huszont ven t ezen a nven, frisstett tartalmakkal kerlt eladsra hallgatk nemzedkei szmra.4Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkElszA VKI annak idejn nemzetkzi szinten versenykpes kutatsokat folytatott s elismert megvalstsokkal rendelkezett fny- s hvillamos genertorok, tzelanyag-elemek s magnetohidrodinamikai elven mkd eszkzk tmkban.Jelen fejezet klnleges helyet tlt be: Lukcs akadmikus hozzjrulsai eltt tiszteletet adva rvidtve - megriztk eredeti tartalmban, formjban, akadmikus r eredeti, sajt kez rajzaival illusztrlva.A tzelanyag-elemek jelents fejldsen mentek keresztl az elmlt vtizedekben. Az j fejlesztsi s alkalmazsi eredmnyeket, a fejlds tendenciit az elads-sorozatban kifejtjk.Az alapok: a fizikai s elektrokmiai elvek s koncepcik, akadmikus r klnleges figyelme s trekvse a technolgira s a mrnki megvalstsra ma is rvnyesek s tmutat jelentsgek.

5Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkBevezetsMint az elads sorn tbbszr is emltettk, a kzvetlen energiatalakts cmszban hallgatlagosan a klnfle energik villamos energiv trtn talaktst rtjk. Mind a magneto-hidrodinamikus, mind a termovillamos genertoroknl a tzelanyagok kmiai energijnak talaktsa villamos energiv h kzbeiktatsval trtnik. 6Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkBevezetTulajdonkppen egyedl a tzelanyag-elemek azok, amelyek kpesek a felhasznlsra kerl tzel s a vele reakciba lp anyag kmiai energijt kzvetlenl villamos energiv alaktani. Ezeket az talaktkat kmiai-villamos genertorok-nak is nevezhetnnk.Ezeket az eszkzket egyszersgk s kitn hatsfokuk miatt klns figyelemmel kell kezelni.7Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk2. rszTrtneti ttekintsMegjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk8A kezdetekA tzelanyag elemek fejldsnek kezdett az 1840-es vekre kell tennnk, amikor is H. Davy sznnel s saltromsavval primitv tzelanyag cellt, Growe pedig 1839-ben az brn lthat hidrognoxign cellt valstotta meg, amelyen a mai modern tzelanyag elemek minden lnyeges rsze megtallhat.

9

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkA problma lnyegerdekes, hogy a problma lnyegt is felismerte, amikor jegyzeteiben ezt rta: Valszn, hogy a kmiai vagy katalitikus hats ott trtnik meg, ahol a folyadk, a gz s a platina a folyadk felsznn tallkozik, s legfbb cl az, hogy minl tbb ilyen mkd felletet alkossunk. 1890 krl L. Mond s C. Langer olyan tzelanyag cellt szerkesztett, amely 66 mA/cm2 terhelhetsg volt. A dinam gyors fejldse nevezettek munkjt httrbe szortotta. 10Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkA huszadik szzad kzepeAz 1940-es vekben Berl nyilvnossgra hozta a sznoxign elektrd mechanizmust Justi pedig Nmetorszgban dolgozott nagy terhelhetsg porzus fmelektrdkon.A leglnyegesebb fejldst Bacon 1954-ben vgzett munkt adta a tzelanyag elemek szmra, mely nagy nyoms tpust a fejezetnk vgn rszletesen is ismertetnk. 11Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkHuszadik szzadAz 1960-as vek ta rszben rlaboratriumok, rszben rhajk szmra szmos tzelanyag elem tpust dolgoztak ki s az ezen a terleten dolgoz kutatk szma is tbb szzra tehet.1983-ban New-Yorkban a 4 MW-os tzelanyag erm kerlt zembe, amely inverterrel kapcsoldik a new-yorki 60 peridus hlzathoz.12Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk3. rszNhny gondolat a molekulris reakcik dinamikjra, valamint az impulzusvektor eloszlsra vonatkozan.Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk13A gondolat httereAz albbiak lnyegben a molekulris reakcikinetikai meggondolsok, amelyek az egyes molekulk ltal nyert transzlcis energira s az impulzuseloszlsra vonatkoznak. Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk14Mi a hiba a hergpekben?Hergpeinkben lnyegben azt a hibt kvetjk el, hogy a tzelanyagokat az oxignnel belssgesen keverjk, az ganyag kmiai energijt felszabadtjuk, illetve a vgbemen oxidcis reakci utn a vgtermk molekulinak (H2O, Co2, Co) megnvekedett transzlcis, vibrcis s rotcis energijt hasznljuk fel. Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk15Mi a hiba a hergpekben?A hiba ott van, hogy ez az energia most mr teljesen rendezetlen, molekulris mozgs formjban jelenik meg. A molekulk impulzuseloszlstaz impulzustrben impulzusgmb jellemzi.

A rendezetlen mozgsbl kvnunk azutn mechanikus dugattymozgst, illetve turbinalapt mozgst kapni.Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk16

Az irnytott gs koncepcijaRszben a tzelanyag-elemekben lejtszd oxidcis folyamatok, rszben egyb molekulris reakcik tanulmnyozsa arra enged kvetkeztetni, hogy amennyiben a tzelanyag molekulit valamilyen mdon a kmiai reakci megtrtnte eltt rendezni tudjuk, s ugyangy, ezekhez geometriailag helyesen hozzrendeljk az oxignmolekulkat, vrhat, hogy a vgtermk molekulk a reakci pillanatban nem gmbszer impulzuseloszlst mutatnak az impulzustrben. Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk17Az irnytott gs koncepcijaEz az eljrs olyan klnleges helyzetet produklhat, amelynl az brnak megfelelen a hengerfejen s a dugattyn magasabb hmrsklet rtkek s magasabb nyomsrtkek lpnek, ugyanakkor a hengerfalon, az ellipszoid kis tengelyeinek irnyban, alacsonyabb hmrsklet, alacsonyabb nyoms keletkezhet.

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk18

Az irnytott gs koncepcijaNem szabad elfelejtkeznnk arrl, hogy ez a nemegyenslyi llapot csak a reakci pillanatban ll fenn. Az irnytott impulzusok norml gznyomsok mellett nhnyszor 10-10 msodperc alatt, a vibrcis mozgsok pedig ennl valamivel hosszabb id alatt termikus eloszlsv vlnak. Szksgesnek ltszik teht ezeket az erket a reakci pillanatban hat erknt hasznostani. Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk194. rszA mkds alapjaiMegjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk20A mkds fizikai alapelveiA tzelanyag elem mkdse ksrletileg knnyen bemutathat. Nem kell mst tenni, mint knsavas vzbe kt darab porzus sznlemezt belemerteni s a vizet elektrolizlni. Nhny perc utn a lemez prusaiban, illetve felletn oxign s hidrogn fejldik. Az ramforrsrl a lemezeket les terhel ramkrre tkapcsolva nhny msodpercig villamos energit nyerhetnk, mikzben a lemezeken lv hidrogn s oxign az elektroliban vzz egyesl. 21Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkA tzelanyag-elem koncepciAmennyiben a lemezekre az oxign s hidrogngz jutst csvezetken permanensen biztostjuk llandan mkd kmiai ramforrst nyernk. Ez a kmiai ramforrs a tzelanyag elem. Az elbbiekben azt mondottuk, hogy a lemezek prusaiba juttatott hidrogn s oxign mikzben a tzelanyag elem villamos teljestmnyt ad le vzz egyesl. 22Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkAz irnytott gs koncepcijaVizsgljuk meg azon kt eljrs alapvet klnbsgt, amikor hidrogn s oxigngzt egy bels gs motor hengerben getnk el vzz s ugyanezt az elgetst a jelenleg vizsglt tzelanyag elem mkdsi felttelei kztt valstjuk meg. A benzinmotor hengerben az g anyagot, a hidrognt s az gst tpll anyagot az oxignt intimen sszekeverjk s ennek kvetkezmnyekppen az g anyag elektronjai kzvetlenl mennek t az oxign atomokhoz, ill. molekulkhoz (v.. bra)23Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkRobbanmotorEzen tmenettel azaz oxidcival vgtermk molekulk termikus sebessgt kb. 30-szorosra nveltk.A nagy sebessg molekulk ezen rendezetlen mozgsbl, ill. impulzusbl fedezi a motor dugattyja, esetleg a turbina laptja az utbbi alkatrszek linerismozgst.

24

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkAz talakts hatsfoka25Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellks a tzelanyag-elemben?Mi trtnik a tzelanyag elemben?Az brnak megfelelen olyan elrendezst alaktunk ki, amelynl az g anyag s az oxidl anyag molekulit nem engedjk keveredni.

Induljunk az and lemezrl, melyre a jelen pldban hidrogn molekulkat juttatunk.

26

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellks a tzelanyag-elemben?A kataliztort tartalmaz andnak olyan tulajdonsga van, hogy a hidrogn molekulrl, illetve atomokrl az elektronokat levlasztva, azokat egy kls, fmes villamosan vezet krbe tereli, a hidrogn ionokat pedig az elektrolitbe jutattja. Az elektronok a kls villamos ellenllson t eljutnak a katd oldalra, ahol az ott kpzd oxign ionok elektron hinyt betltik s az elektroliton t eljuttatott hidrogn ionokat ignybe vve, neutrlis vzmolekulkat kpeznek. 27Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkAz talakts hatsfokaAmg a termodinamikai getsnl a hidrogn gsi hjnek alig 25-30%-t nyerhetjk meg mechanikai munkaknt, addig a tzelanyag elemben a hidrogn kmiai energijnak 80%-t is megkaphatjuk villamos energia formjban. Lthatjuk hogy, a hidrogn kt fajta getsi mdszere kztt hatsfok szempontjbl alapvet klnbsg van.28Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkTermodinamika sA kvetkezkben a tzelanyag mkdsrl elmondottakat vizsgljuk meg rszletesebben rszben termodinamikai, rszben elektrokmiai szempontbl.Helyezznk egy kalorimterbelsejbe olyan ednyt, amelyben rz-szulft oldat vans ebbe az oldatba mertsnk cinkrudat (bra). 29

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk elektrokmiaAzt fogjuk tapasztalni, hogy a cinkrdon vrsrz lerakds lesz,ugyanakkor azonban a szulft ion tartalom (SO4)- nem vltozik. A CuSO4+Zn ZnSO4+Cu, illetve ionok szempontjbl rva fel az egyenletet:30

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkramtermelsEz utbbi az ramtermel folyamat. Q=H=231 KJ/ml hmennyisget fogunk mrni.Meg kell jegyeznnk, hogy az atomonknt 2 elektron a cink atomtl nknt ment t a rz ionra, mint ahogy pl. a h is magasabb hfok testrl nknt ramlik t alacsonyabb hfok testre.A tapasztalat azt bizonytja, hogy minden nknt vgbemen fizikiai folyamat ltalban munkavgzsre hasznlhat fel.31Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMi szksges a munkavgzshez? A felhasznlshoz ltalnossgban berendezs szksges. Az elbbi ksrletnben az elektronok a cinktl kzvetlenl jutottak t a rz ionokhoz s az elektron ramlst gy nem tudtuk munkavgzsre felhasznlni.Vltoztassuk meg a kalorimterben lv berendezst gy, hogy az ednyt vlasszuk kett szemipermebilis hrtyval gy, hogy az egyik oldalon rzrd merljn rzszulft oldatba,a msik oldalon pedig cinkrd merljn cinkszulft oldatba. 32Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMi szksges a munkavgzshez? A cinks rzrudat egy ellenllson t a kalorimter belsejben kssk ssze.

33

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMi szksges a munkavgzshez? Ebben az elrendezsben kt folyamat zajlik le. A cink az oldatba jutvn 2 elektront ad a kls ramkr szmra, az oldat szmra pedig 2 pozitv tlts cink iont. Az gy felszabadul elektronok a kls ramkrn t juthatnak csak egy msodik folyamat sznhelyre, ahol is az bra szerinti baloldali rszben a rzrdra jut 2 elektron a rzszulft oldatban lv rz ionokat fmes rzknt a rzrdra levlasztja.A folyamat kzben a kalorimterben fejldtt h ismt 231 kJ/ml rtk lesz.

34

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMi szksges a munkavgzshez? Az brnak megfelelen vgezzk el a ksrletet gy, hogy az ellenlls a kalorimteren kvl legyen. Azt tapasztaljuk, hogy az ellenllson 211 kJ/ml villamos teljestmnyt nyerhetnk,a kalorimterben pedig 20,1 kJ/ml meleg fog fejldni.

35

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMegvan a munkavgzsHangslyozni kvnjuk, 20,1 kJ/ml nem Joule h, hanem a rendszer bels energijnak egy rsze. A kls hasznos munka az elbbinek kzel 10-szerese. Szmtsuk ki most mr szmszeren, hogy milyen sszefggs van az elem belsejben marad henergia s az elektrokmiai cella ltal adott energia kztt. 36Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkFttel37Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMg fttel38Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellks mg39Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkGibbs-Helmholtz40Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMi a hasznos munka?Itt G a reverzibilis munkt, illetve a szabad entrpit jelli. H a kalorimterben mrhet reakciht s S az entrpiavltozst jelli. Mint elbb emltettk, a kmiai folyamatok ltal vgzett hasznos munka ms, mint a bels energia megvltozsa.41Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkA potencil42Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkPldaPldakppen szmtsuk ki a fenti sszefggsek figyelembevtelvel, hogy egy Dniel-elemben 1 ra alatt 10 A ram termelse esetn mennyi cink olddik. A tltsmennyisg 10 A 3600 sec, azaz 36103 Coulomb. A cink atomslya 65,38. Ebbl kvetkezik, hogy 65,38 g cink olddsa biztostan 96, 5103 Coulomb tvitelt, de miutn mi csak ezen mennyisg kb. 37%-nak tvitelt kvnjuk, ezrt ehhez kb. 23 g. cink olddsa lenne szksges, ha egy cinkatom olddsa azonban kt elektrtont adna. Egy cinkatom olddsa azonban kt elektront ad, s gy 10 Amper ram 1 rs termelsnl 11, 5 g cink olddsa szksges.43Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkKommentr Megvizsglhatjuk azt is, hogy az 1 V feszltsggel mkdtetve a Dniel-elemet, az a fentiek szerinti 1 ra alatt 12,5 g cinkrt kb. 10 Wh energit ad. Nyilvnval, hogy 1 kWh energihoz gy kb. 1,1 kg cink olddsa szksges. Ha figyelembe vesszk azt, hogy 1 kWh-hoz 380 g benzin eltzelse szksges, akkor a cinkbl trtn energiatermels kb. hromszoros anyagfogyasztssal jr. Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk44KommentMegvizsglhatjuk azt is, hogy az 1 V feszltsggel mkdtetve a Dnel-elemet, az a fentiek szerinti 1 ra alatt 12,5 gr. cinkrt kb. 10 kW energit ad. Nyilvnval, hogy 1 kW energihoz gy kb. 1,1 kg. cink olddsa szksges. Ha figyelembe vesszk azt, ohgy 1 kW-hoz 380 gr. benzin eltzelse szksges, akkor a cinkbl trtn nergiatermels kb. hromszoros anyagfogyasztssal jr. 45Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk5. rszValsgos krlmnyek kztt mkd tzelanyag elemekMegjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk46FelttelezsekAz elektrokmiai ramforrsoknl az elmleti vizsgldsok az albbi felttelezsek mellett folynak: az elektrdk vgtelenl kis ramsrsggel vannak terhelve,ennek megfelelen a kapcsokon az elektromos er jelenik meg,a reakcik sorn kpzdtt h a rendszer hfokt lnyegesen nem emeli, az krnyezeti hfokon marad.

47Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkIdelis hatsfok - kplet48Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkIdelis hatsfok - szmtsMegjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk496. rszMegvalstott tzelanyag-elemekMegjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk50Osztlyozs: hmrskletIgen sokfle tzelanyag elemet valstottak meg, mely tnybl nyilvnval az is, hogy egyik tpusnak sincsenek elspr mszaki vagy gazdasgi elnyei a msik felett. A tzelanyag elemeket tbbfle mdon lehet osztlyozni, itt 3 fle osztlyozst emltnk meg:Hfok szempontjbl: ismernk krnyezeti hfokon mkd tzelanyag elemet:300-700 C os intervallumban mkd kzp hfok tzelanyagelemeket, valamint1000-1500 C kztt mkd magas hfok tzelanyag elemeket.

51Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkOsztlyozs: beviteli mdOsztlyozhatjuk a tzelanyag elemeket a tzelanyagnak az elembe trtn beviteli mdja szerint is. Az elembe a tzelanyagot bejuttathatjuk gz formjban, oldat formjban, esetleg szilrd anyag formjban.52Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkOsztlyozs: elektrdaVgl az elemben alkalmazott elektrda megoldsok szempontjbl is osztlyozhatunk, mivel hasznlhatk az elemben.fmszivacsbl kszlt porzus elektrdk,az elektrolitban kering fmzagyok, vglaz elektrolitba folyamatosan juttathatunk tmr, automatikus adagols fmszalagokat.A megvalstott tzelanyag elemek kzl csak nhny tpust fogunk ismertetni, leginkbb az egy-egy csoportra jellemz, a fejleszts szempontjbl elll tpust. 53Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkPlda alacsony hfokon mkd tzelanyag elemre54Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkBaconEzek a tpusok kpezik a klasszikus tzelanyag elemek alaptpust. Krnyezeti hfokon mkdnek, vagy lgkri, vagy a terhelsi ramsrsget nvelni enged magasabb nyomsokon. A tzelanyag elemek renesznsznak tekinthet a Bacon professzor ltal 1954-ben ptett modernebb tpusok is ilyenek voltak. 55Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkBacon-cellaAz bra mutatja az elemek metszett. Bellrl kifel haladva kzpen van a 27%-os NaOH oldatot tartalmaz elektrolit, amelyet a kr alak trcst krlvev szigetel gyr nylsain t keringtetnek, illetve cserlnek.

56

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkKataliztorAz elektrolit bal, illetve jobb oldaln 30 mikron plus nagysg szinterelt Ni lemezek vannak, amelyek kls oldalrl az aktv gzt, a viszonylag tiszta hidrognt, illetve oxignt vezetjk a pruson t az elektrolithoz. A Ni elektrdk kataliztorknt 1 g platint tartalmaznak 1 dm2 elektrda felletre vonatkoztatva. A legkls oldalon acl szortlemezek vannak, amelyeket elektrda sorozat esetn szrprsszeren kpeznek ki. 57Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkAdatokAz acl lemezen lv bes kilp lyukak biztostjk azt, hogy a hidrogn, illetve az oxign elektrdk gzoldali felletn cserldik. Az g, illetve az gst tpll gzokat bizonyos tpusoknl 98,066 kPa nyomson,fejlettebbb tpusoknl 4903-5884 kPa nyomson tplljk az elektrdkra. Ez utbbi nyoms esetn az elektrolit hfoka 60-70C-ig is emelkedhet. Ez az elemtpus atmoszfra nyomson 40-50mA/cm2 ramsrsget enged meg, 4903-5884 kPa nyomson az ramsrsg elri a 300 mA/cm2-t.58Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMg adatokEz 0,8 V-os feszltsget felttelezve azt jelenti, hogy 1 cm2 rl 0,24 W teljestmnyt, 1 dm2-rl 24W teljestmnyt nyerhetnk.A 98,066 kPa-on mkd rendszerek ksz slya ltalban knnyebb s ezt klnbz szksg-ramforrsokban hasznljk. A nagynyoms rendszerek az aclkarimk miatt slyosabbak, alkalmazsuk pl. hegeszt rendszerek tpllsnl elnys.

59Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkHatsfokAz ilyen elemek mkdsi hatsfoka elmletileg elrheti a 90-95%-ot. A gyakorlatban megvalstottak 70-80%-os hatsfokot rtek el, az elbbiekben emltett alacsony ramsrsgek mellett. Ezek a hatsfokok az ermvek 35-40 %-os hatsfokhoz mrten kitnnek mondhatk.A megvalstott elem kb. 130 cm tmrj.60Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkPlda kzepes hfokon mkd tzelanyag elemre61Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkBroersA kzp hfok tzelanyag elemek kifejlesztse terletn 1960-ban a holland Broers vgzett ttr munkt s mind Eurpban, mind Amerikban szmos laboratrium az nyomdokain kezdte meg a tzelanyag elemek fejlesztst. gy a haznkban foly tzelanyag elem kutats a Broers-fle rendszerre alapozdott s azt tovbbfejlesztette (1978-ig). Az ilyen fajta tzelanyag elemek elvi megoldst a kvetkez bra adja. 62Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk

Broers-cellaIsmt bellrl kifel haladva az elem felptse s mkdse az albbiak szerint jellemezhet.Az elem kzponti rszt alkot elektrolit kliumkarbontok, ntriumkarbontok s litiumkarbontok eutetikus keverke, amely a 720C-os mkdsi hfokon folykony halmazllapot. Ez az elektrolit van a magnziumoxid mtrix prusaiba felszivatva. 63Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkElektrdk A hidrogn elektrda, amely az brn az elem bal oldaln helyezkedik el, porzus ezst s nikkel trcsa, az oxign elektrda pedig porzus szinezst trcsa. A hidrogn elektrdra a rerstett tasakok hidrogn s CO keverkt juttatjk a bal oldali elektrdkra ltalban levegt tpllnak. A hidrogn elektrda a H2 s CO gz keverke blts alatt van, az oxign oldalon a bevezetett leveg vzgzzel s CO2-vel keverve tvozik. A hidrognhez hozzadagolt CO a karbontion feltartsra szolgl.64Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkAdatokA megptett elemekkel 200 mA/cm2 ramsrsget rnk el, 0,7-0,8 V-os kapocsfeszltsgek mellett. A Magyarorszgon folyt ksrletek az 1970-es vekben 3-4000 rs mkdsi idtartamot biztostottak, A ma mkd elemek mr 30-40 ezer rig is mkdkpesek. A kzphfok elemek ltalban 45-55%-os hatsfokot rnek el.

65Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkHatsfokEz ltszlag rosszabb, mint az alacsony hfok elemek, de figyelembe kell venni azt, hogykataliztoruk sznmonoxidra s a gz tisztasgra vonatkozan nem tl rzkeny s bizonyos tpusaik megfelelen reformlt metnt is fel tudnak dolgozni.Az bra egy kzp hfok elem rszletesebb mkdst mutatja abban az esetben, amikor a hidrogn oldalt sznhidrogn elemekkel tplljuk. 66Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkSznhidrognLthat, hogy a sznhidrognek az elemben trtn krakkols folytn az elektrdkat rszben mint H2 molekulk, rszben mint CO molekulk rik el. A kzp hfok cellknl jelenleg is mg szmos problmt kell megoldani, ezek kzl az albbiakat emltjk:A cella tmtsek rugalmassgnak megoldsa a 700C-os mkdsi hmrskleten.67Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkProblmkParazita ramok megszntetse az egyes cellk kztt a magas hfokon trtn jobb villamos szigetels megoldsval.Elektrolit s elektrda invariancijnak biztostsa.Az elektrda invariancia alatt a karbontionok szmnak llandsgt rtjk, ugyanakkor az elektrda invariancijt pedig a szinterelt ezst s nikkel elektrdk prusainak tovbbi szintereldsnek kikerlsben ltjuk.

68Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkProblmkMeg kell emlteni azt is, hogy a 2-3 mm vastagsg magnziumoxid mtrixban bizonyos elektrolit vndorls is fellp, ami azt eredmnyezi, hogy a mtrix bizonyos rszei elektrolitban elszegnyednek s nagy ellenllsv vlnak. Nem mellzhetk azok a problmk sem, amelyek 1 cella zemidejvel kapcsolatban felmerlnek. A fejleszts kezdetn a cellk 30-40%-os teljestmny cskkens mellett 5-600 rt zemeltek. Az 1983-as szint 6-8000 rval jellemezhet.69Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkzemrkA kvnatos zemrk szma folyamatos, illetve szakaszos zemben 3040 000 ra lenne azon gazdasgi szmtsok alapjn, hogy a jelenlegi gzturbins ermvekkel kvnjk egyenl szintre lltani a tzelanyag elemes ermveket. Meg kell emltennk, hogy 1 v 8760 rbl ll s a gzermtl azt kvnjuk meg, hogy a karbantartsi s egyb munkkat figyelembevve, 6000-6500 rt zemeljen 1 vben.70Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkPlda magas hfokon mkd tzelanyag elemre71Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkGeneral ElectricA magas hfok cellkkal kapcsolatban egy n. metngzt feldolgoz olcs tzelanyag cella tpust mutattunk be.

A cella fejlesztsbe a General Electric vllalat fektetett lnyeges munkt s az albbiakban vzolt tpus s jellemz mkdsi rtkek a fenti vllalat laboratriumban jttek ltre.72

Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkGE-cella A cella felptst az bra mutatja. A felpts a kvetkez: A tzelanyag elem elektrolitjt, pontosabban az oxign ionokat transzportl kzeget a cella kzppontjban elhelyezked cirkonoxid pohr kpezi. Ebben bellrl a pohr falval olvadt ezst rintkezik, kls felletn pedig a fldgz pirolzisbl szrmaz krakkolsi termkek, korom helyezkedik el.ltalban a kls felletre valamilyen fmvezet rcsot is felvisznek. A cirkonoxid hengert zrt tartly veszi krl, amelybe a fldgzt belevezetik, ez a tartly azonban a fel nem dolgozott, de mg reakcikpes g anyagokkal kb. 1100 fokos hmrskletre kerl.

73Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkMkdsA cella mkdse az albbiak szerint megy vge:A cirkonoxid pohrban elhelyezked olvadt ezstbe egy hll aclcsvn t levegt, illetve oxignt nyomunk, amely az olvadt ezstn tbuborkol, illetve olddik.Ez az aclcs kpezi egyben a tzelanyag elem pozitv plust. Az ezstben olddott oxign ionok a cirkonoxidon t ion formjban tmennek a kls felleten elhelyezkedett sznatomokhoz s azokkal CO, illetve CO2 molekulkat kpeznek. Minden oxignion az ezstbl 2 elektront visz magval, amelyek a T terhelsen t kerlnek vissza a pozitv potencilon lv hll aclcsre.

74Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkAdatokA rendszerben a fenti mkdsi hmrskletenkb. 150-170 mA/cm2 ramsrsget rtek el, ami egyben az adott teljestmnyhez szksges felleteket is meghatrozza. A cellval 35-40%-os hatsfokot rtek el, ami alig tbb, mint a gzturbins erm. Az ilyenfajta tzelanyag elemek lnyeges elnye abban van, hogy kpes kzvetlenl fldgzt feldolgozni s tmtettsge, valamint viszonyai ltalban egyszerbbek, mint a diafragmkkal kikpzett cellk.75Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkA jelen s a jv76Megjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellkKorszer tzelanyag-tpusokMegjul energetika...MScProf. Dr. Vajda Istvn: Tzelanyag-cellk77TypePEMAlkalinePhosphoricAcidMoltenCarbonateSolidOxideOperatingTemp.(C) ElectrolyteCatalystSystemEfficiency(%)SizeStart-upTime(hours)LikelyApplications60-95Ion ExchangeMembranesPtPt-alloy32-40