HIDROGÉNGAZDASÁG: LEHET İSÉGEK ÉS KIHÍVÁSOKMAGYARORSZÁG ÉS AZ EU SZÁMÁRA

Budapest, Magyarország, 2011

PEM Tüzelıanyag-cellák kutatása és alkalmazása Magyarországon

Tompos András

Magyar Tudományos AkadémiaKémiai Kutatóközpont

Nanokémiai és Katalízis Intézet, Budapest

tompos@chemres.hu

Meghatározó vállalatok és kutatóhelyek

l Magyar Telekoml Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai Intézet, Elek trokémiai és

Elektroanalitikai Laboratórium www.fuelcell.hu

l STS groupwww.stsgroup.hu

l Kontakt Elektro Kft.www.kontakt-elektro.hu

l MTA Kémiai Kutatóközpont

ELTE – STS Group bemutatása

l Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai- és Matematikai Intézet, Budapest» Elsı Stratégiai Kutatóhely tüzelıanyag-cella témában (NKTH

Nekifut)

» Elsı kelet-közép-európai tüzelıanyag-cella kutatóközpont (www.fuelcelltoday.com alapján)

» 11 kutató

» Mőszerek az ipari berendezésektıl az atomi felbontás vizsgálatáig

» Virtuális és szimulációs környezetek

l STS Group Zrt., Gyır» Gyorsan növekvı megújuló technológiákkal foglalkozó cég

» 2,5 Mrd Ft árbevétel 2010-es évben

l A platinakatalizátor oldódása

l A platina valódi felületének jelentısége

l Az oxigénfejlıdés és -redukció vizsgálata

l MEA készítés és tesztelés

l Tömítések készítése és tesztelése

l PEM tüzelıanyag-cellák tervezése, készítése és tesztelése

l Matematikai modellezés (reakcióséma, áramlási profil stb.)

l Jármőtervezés (HY-GO és HY-GO 2.0), üzleti terv

l Regeneratív kogenerációs PEM cellák tervezése és kivitelezése STS Group-nál, bipoláris lapok készítése

Tüzelıanyag-cella kutatás és fejlesztés az ELTE-STS group együttmőködésében

PEM cellák felépítése, mőködése

A tüzelıanyag-cella szíve, a MEA

anód katód

H2, ta. O2,

air

„Gázáramlási csatornák”réteg-Gázdiffuziós

l~250µµµµm

„Katalizátor”~25 µµµµm

Polimer membrán

25-200 µµµµm

szén szemcsék

vízzel telített mikropórusok

gáz-transzportmezopórusok

Pt- nanorészecskék

100-300 µm

A tüzelıanyag-cellák vizsgálata(elemi cellák)

Mőkıdési feltételek, hatásfok

1. T=80oC, tökéletesen nedvesített2. T=80oC, 50%-os nedvesítés3. T=80oC, száraz gáz

Cel

la p

oten

ciál

/ V

Áramsőrőség / A cm-2

� Click to edit the outline text format

� Second Outline Level

− Third Outline Level

� Fourth Outline Level

Kinetikai

α−− uRT

FexpK

c

cLAi

00

Diffúzió+Kinetika • Dupla meredekség • Esırendő koncentráció

α−− uRT2

FexpLc

c

KAiD0

0eff

Proton+Kinetika • Dupla meredekség • gyökös koncentráció

α−σ− uRT2

Fexp

c

KcAi0

0eff

Proton+Diffúzió+kinetika • Négyszeres meredekség • Gyökös koncentráció

α−σ− uRT4

FexpKDAi

c

c4

eff00eff

0,01 0,1 10,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Cel

la fe

szül

tség

/ V

Áram sûrûség / Acm-2

Kinetikai tartomány

migráció

Proton migráció, diffúzió

Áramsőrőség / A cm-2

Cel

la p

oten

ciál

/ V

PEM cella mőködése

A cellaköteg összeállítása -2009-ben

l Tüzelıanyag-cella köteg (stack) összeszerelése az ELTE laboratóriumában, háttérben egy kész cellaköteg

l Gondosan letisztított lemezek, tömítések, tökéletesen sík fedılemezek

Az áramlási mezı tervezése és vizsgálata neutronradiográfiával

A méréseket az ELTE kutatócsoprtja a KFKI AEKI Neutro nradiográfiai csoportjával együtt végezte

A HY-GO 2.0 az V. Széchenyi futamon, 2010.

Méret: 1,5 x 1,12 x 2,74 méterSúly: 290 kgTeljesítmény: 1000 WHidrogén üzemanyag: 160 gFogyasztás: 1,9 g H2 / kmVégsebesség: 55 km/óraHatótáv: 85 kmEgy kilométer megtétele 30 forintba kerül.CO2 kibocsátás zéró.

A jármőben két, 10 protoncserélımembrános egységbıl állótüzelıanyagcella szolgáltatja az energiát. A hidrogén két, TiFeHx hidrid alakban tároló, 38,4 cm hosszúságú, 8,9 cm átmérıjő tartályban van a jármőben.

Recomend:Regeneratív Kogenerációs Menetrendkövetı Kis-erımő

l Elıny: nagy energia-sőrőség

l Hátrány: magas költség

l Megoldás: 2 eszköz egyben

l Feladat: Többfunkciós katalizátorok és elektródrendszerek

l Beillesztés az energia hálózatba

I. Tárolás

II. Felhasználás

http://www.fuelcell.hu/fchu_engine/index.php/hu/recomend/

450 550 650 750 8508

8.2

8.4

8.6

Stack feszültség

idı / mp

Feszültség / V

450 500 550 600 650 700 750 800 850 9000.2

0.4

0.6

0.8

Cellafeszültségek

idı / mp

Feszltség / V

1 kW-os prototípus, 2010-ben

Regeneráció

Új kogenerációs stack-ek és rendszer

Rendszer mőködése – 2 kW folyamatos

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

10

20

30

40

50

60

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001

Hidrogrogén palack nyomás / bar

Hımérséklet / °C

Idı / másodperc

Összefoglalás(ELTE – STS group tevékenysége)

l Több éves tapasztalat a hidrogén tüzelıanyag-cellák fejlesztésében és üzemeltetésében

l Kogenerációra és hosszú távú üzemre képes tüzelıanyag-cellás rendszer fejlesztése

l Skálázható 2-30 kW-ig

l Szabványos megoldások, elektromos hálózatra kapcsolható

l Használati meleg víz rendszerre kapcsolható

l Menetrend követés, gyors teljesítményingadozásokat is leköveti

l Gyors indulás, akár 0 teljesítményre is visszaszabályozható

l Elérhetıségek: » Kriston Ákos: www.fuelcell.hu/

» Gyepes Tamás: http://www.stsgroup.hu/

» www.fuelcell.hu,

» www.hy-go.com

» info@fuelcell.hu

Cégbemutató

Hagyományos tevékenységek:- villamos berendezések gyártás- ipari automatizálásipari elektronikus készülékek,

Jövıkép – új irány:- tüzelıanyag-cellák- hidrogéngazdaság- 2011-ben új

gyártócsarnokkerült átadásra

Elérhetıségek: hirth@kontakt-elektro.hu; www.kontakt-elektro.hu

- 2007-ben elkészült az elsı 100W-os stack prototípusa.- 2009-ben elkészült az elsı komplett berendezés: egy 300W-os hordozhatógenerátor.- 2010-ben elkészült egy demonstrációs célú, hidrogén hajtású, elektromos kerékpár.- 2010-ben elindult egy saját fejlesztéső komponensekre támaszkodó cella-fejlesztési projekt.- 2010-ben elindult egy piaci stackekre alapozott berendezés-fejlesztési projekt.

Tüzelıanyag-cellás fejlesztések

1. Új anód oldali katalizátor fejlesztése2. MEA gyártás folyamatának kidolgozása, különbözı mérető MEA-k legyártása- MTA Központi Kémiai Kutató Intézet Nanokémiai és Katalízis Intézete3. Bipoláris lemez grafit kompozit alapanyagának fejlesztése- BME Gépészmérnöki Kar Polimer technika Tanszéke- sikeres stack-kísérletek préselhetı alapanyagból mart lemezekkel- kezdeti eredmények fröccs önthetı alapanyaggal4. Bipoláris lemez gázáramlási csatornáinak megtervezése, optimalizálása- több design tesztelése: zárt katódos, nyitott katódos- gázáramlási szimulációs eredmények5. Cellák tömítésének megtervezése, optimalizálása tömeggyártáshoz- több design tesztelése: o-győrős, laptömítéses- kísérletek tömeggyártási módszerekkel: X-Y robot, szitázás6. Nagyteljesítményő stackek tesztelı berendezésének megépítése- rendszerterv, hardverelemek kidolgozva, várható befejezés: 2012 eleje7. Stackek nagyüzemi összeszerelési folyamatának kidolgozása- tervek szerint 2012-ben8. Különbözı teljesítményő proto stackek összeszerelése, tesztelése- tervek szerint 2012-ben

Stack-fejlesztés saját komponensekre alapozva

GOP-1.1.1-09/12010-0033 támogatással

Alapanyag-fejlesztés kihívásai:- villamos szempontból: minél jobb vezetı- mechanikailag szilárd, rugalmas- kémiailag stabil, ellenálló- gáztömör- megfelelı hidrofób/hidrofil tulajdonságú- jó hıvezetı- jól megmunkálható: fröccsönthetı!

Rajzolat-tervezés nehézségei:- optimális csatornakialakítás

- nagy lefedettség az aktív terület alatt- homogén, kis nyomásesés- megfelelı vízkihajtás- gázáramlási szimulációkkal tesztelt

- megfelelı tömítettség biztosítása

Bipoláris lemezek fejlesztése

- 2011 elején beüzemelésre került a Bio-Logic cégFCT-150S tesztberendezése az MTA KK-ban

- A MEA-fejlesztés támogatására kifejlesztett a cégegy „stackprés” berendezést (FCT-150S-hez)

- A sok-cellás, nagyteljesítményő prototípusokteszteléséhez nagyteljesítményő tesztelı berendezésfejlesztésébe kezdett a cég

- Több, különbözı kialakítású 1-5 cellás stack lettmegépítve a gázáramlás, vízháztartás, tömítésösszeszerelés problémáinak tesztelésére

Stack összeszerelés és tesztelés

Háttérinformáció:- partner: PTE-PMMK Mőszaki Informatika és Villamos Intézet- Ballard stackekre alapozva2012 év végéig elkészítend ı 2-2db berendezés 1kW-5kW közötti teljesítményeken:- beltéri UPS-ek- szabadtéri segédáramforrásokRészfeladatok:- gázmenedzsment, teljesítménykonverzió, hıháztartás, rendszerfelügyelet biztosítása

Berendezés-fejlesztés (piaci stack-ekre alapozva Baross Gábor REG_DD_09-2-2009-0102)

- Az autonóm, szigetüzemő energiaellátás demonstrációja céljából megépítésre kerül két, napelemekkel mőködı elektrolizáló berendezés, mely a víz elektrolízissel történı szétbontásával hidrogént állít elı.

- A fejlesztett hidrogén hagyományos nagynyomású és metal-hidrid palackokban kerül tárolásra, saját telephelyen történı belsı felhasználás céljából.

Hidrogén telephelyi elıállítása napenergiából

GOP-1.1.1-09/12010-0033Hidrogénüzem ő Tüzelıanyag-cellák elektrokémiai reaktorának

(stack) alapkutatások eredményein alapuló fejlesztés e

l Anód oldali katalizátorok tervezése – Pt tartalom csök kentése, aktivitás növelése, CO tolerancia növelése

� Pt/C elıállítása (aktív szén hordozó ill. el ıállítási módszer optimalizálása) � Kétfémes MePt/C katalizátorok el ıállítása (Me=Sn, Pb, Ge) irányított

felületi reakciókkal� Aktív szén módosítása saválló vezet ıképes TiO2 alapú vegyes oxidokkal� Elektrokémiai vizsgálatok – aktív felület meghatároz ása és CO

elektrokémiai oxidációja

l MEA vizsgálatok� Ink-jet nyomtatás – a megfelel ı katalizátor szuszpenzió/”tinta”

elıállítása

l MEA elıállítása a különböz ı teljesítménykategóriájú stack-ekhez

MTA – KK feladata

Pt/C Katalizátorok tervezése

l Aktív szén hordozók� Ketjenblack EC 300� Black Pearls 2000� Vulcan XC-72� Elıkezelés: felületi funkciós csoportok módosítása� Módosítás vezet ı oxidokkal (saválló-képesség, CO tolerancia növelése )

l Pt felvitel a hordozóra� Impregnálás� Oldószeres kémiai redukció� Optimalizálandó faktorok: oldatok és a szuszpenziók koncentrációja, a

keverés ideje, h ımérséklete, a HCl oldat mennyisége, ultrahangozás ideje, h ımérséklete, szárítás h ımérséklete, reduktív el ıkezelés hımérséklete.

l A Pt módosítása - második fém bevitele irányított fe lületi reakcióval

H-Pt/C + Sn(C2H5)4 Sn-Pt/C + 4 C2H6 (1) 5 bar, H2 170 oC

A hidrogénes el ıkezelés hımérsékletének hatása

l Az elıkezelés célja� A Pt redukált állapotának elérése� Cl-1 ionok eltávolítása (H2PtCl6

prekurzor)l Túl magas h ımérsékleten a Pt

szemcsék szinterez ıdése figyelhet ımeg

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

j (m

A/c

m2 )

Ewe (V) vs. NHE

300 C

100 C

Aktív szén szemcse

Pt nano-részecske30

0 °C

fe

lett

25

30

35

40

45

100 150 200 250 300 350E

lekt

roké

mia

i akt

ív fe

lüle

t, m

2 /g

kat

Hımérséklet, oC

Aktív szén hordozó hatása a hidrogén elektro-oxidációjára

l Vezetıképesség l Szemcseméretl Fajlagos felületl Hézagtérfogatl Felületi funkciós

csoportok szerepe

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

j (m

A/c

m2 )

Ewe (V) vs. NHE

Black Pearls 2000Ketjen Black EC300Vulcan XC-72

CO tolerancia növelése második fém bevitelével

l CO-tolerancia jelent ıs növekedése Sn hatására

-0,4

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

-0,2 0,3 0,8 1,3

j (m

A/c

m2)

Ewe (V) vs. NHE

Pt/C

SnPt/C

CO tolerancia növelése második fém bevitelével(XRD vizsgálat)

l Pt3Sn és PtSn ötvözet fázisok megjelenése

Pt3Sn

Pt3Sn

Pt3Sn Pt3SnPtSn

PtSn

PtSnPtSn

-0,4

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

-0,2 0,3 0,8 1,3

j (m

A/c

m2)

Ewe (V) vs. NHE

Pt/C

SnPt/C

Pt3Sn

PtSn

CO tolerancia növelése második fém bevitelével

CO tolerancia növelése Ti-alapúvezetıképes vegyes oxidokkal

l A módosítatlan TiO2 önmagában félvezet ı, ugyanakkor ellenáll a savas körülményeknek

l Olyan módosítókat kell találni, amelyek � növelik a TiO2 vezet ıképességét, � CO-toleranciájuk kiemelked ı.

l Általános összetétel: 40% Pt / x% TiyMe(1-y)O2 / C

CO tolerancia növelése Ti-alapúvezetıképes vegyes oxidokkal

l CO elektro-oxidációjának kiindulási potenciálja jelen tısen csökken a módosító hatására

l A módosított katalizátoron a hidrogén elektrooxidáció ja CO jelenlétében is kimutatható; a katalizátor nem passz iválódik

-2

-1

0

1

2

3

4

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

j (m

A/c

m2 )

Ewe (V) vs. NHE

40% Pt / x% TiyMe(1-y)O2 / CPt/C

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

j (m

A/c

m2 )

EWE (V) vs. NHE

40% Pt / x% TiyMe(1-y)O2 / CPt/C

Aktivitás a hidrogén elektrooxidációjában Ti-alapú vezet ıképes vegyes oxidokkal

A referencia Pt/C katalizátor tüzelıanyag-cellás vizsgálata

l MEA Pt tartalma: 0.2 mg Pt /cm2 – anód; 0.35 mg Pt/c m2 – katód

l Oxigén és hidrogén betáplálás a katód és az anód ol dalon

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

E(V

)

I (A/cm 2)

Kezeletlen-GDL

Teflon-kezelt-GDL

Összefoglalás

l Egymást kiegészít ı elektrokémiai és anyagtudományi kutatási potenciál az ELTE és az MTA KK kutatócsoportjaiban.

l Üzleti rések sikeres megcélzása az STS group és Kon takt Elektro Kft. által a kogenerációs alkalmazások a balatoni hajózás és egy éb kis teljesítmény ő

jármővek területén.l Szélesebb kör ő együttm őködéssel még versenyképesebb kutatási-fejlesztési

potenciál érhet ı el.