2007/1–2 - Széchenyi István Egyetem
2007/1–2 - Széchenyi István Egyetem
2007/1–2 - Széchenyi István Egyetem
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Üzemanyagcellák alkalmazása járművekben<br />
Juhász Árpád<br />
fejlesztőmérnök<br />
Knorr-Bremse<br />
Fékrendszerek Kft.<br />
K+F Intézet<br />
Dr. Nádai László<br />
tudományos főmunkatárs<br />
MTA SZTAKI<br />
AZ ÜZEMANYAGCELLÁK RÖVID TÖRTÉNETE<br />
Az első üzemanyagcellát Sir William Grove fejlesztette és építette<br />
meg 1839-ben Angliában. Majd 1889-ben két kutató, Charles<br />
Langer és Ludwig Mond végzett sikeres kísérleteket levegő- és<br />
széngázüzemű cellákkal, maga az üzemanyagcella elnevezés is<br />
nekik köszönhető. A következő komoly előrelépést dr. Francis<br />
Thomas Bacon, az angliai Cambridge <strong>Egyetem</strong> mérnöke tette<br />
1939-ben, majd 20 évvel később, 1959-ben vállalata 5 kW-os<br />
teljesítményű berendezést épített. Az 1960-as évek elején a Pratt<br />
& Whitney vásárolta meg a Bacon-féle cella licencét, és tökéletesítette<br />
azt a NASA Apollo-programjának számára. Ez a technika a<br />
közlekedésben 1993-ban hozott áttörést, amikor a kanadai Ballard<br />
cég által kifejlesztett cellát először alkalmazták járműben.<br />
1. ábra: William Robert Grove és az üzemanyagcellája<br />
ÜZEMANYAGCELLÁK FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE ÉS HATÁSFOKA<br />
A járműipar döntően kétféle cellát használ: Polymer Electrolyte Fuel<br />
Cell (PEFC), illetve Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) típusút, mert<br />
ezeknek a legnagyobb a fajlagos teljesítménysűrűsége, és alacsony<br />
hőmérsékleten (20–100 °C) üzemelnek. A működésük alapján ezeket<br />
a cellákat Proton Exchange Membrane (PEM) típusként is emlegetik.<br />
Az elektrokémiai áramforrások működésének lényege az, hogy egy<br />
kémiai reakció szabadentalpia-változását alakítják át munkává. Ez úgy<br />
történik, hogy az anódon (a negatív elektródon) oxidáció (elektronleadás),<br />
míg a katódon (a pozitív elektródon) redukció (elektronfel-<br />
Járműipari innováció – EJJT<br />
A cikkben először röviden áttekintjük a mai üzemanyagcellák történeti előzményeit, majd<br />
ismertetjük a járműiparban leggyakrabban használatos ún. PEM-cella felépítését és működését.<br />
Kitérünk a cella hatásfokát meghatározó tényezőkre, és bemutatjuk az üzemeltetési<br />
körülmények szabályozásának általános keretrendszerét. Végül az üzemanyagcellák nagy<br />
sorozatban történő gazdaságos alkalmazhatóságát járjuk körül, melynek kritikus pontjai a<br />
tiszta és olcsó hidrogén előállítása, a drága adalékok (platina) kiváltása, illetve az egymásnak<br />
ellentmondó méret-, súly- és hatásfok-követelmények.<br />
In the paper first we briefly outline the historic preliminaries of nowadays fuel cells; then<br />
describe the structure and operation of the so-called PEM cell that is the most widely used<br />
in vehicle industry. We examine the factors that determine the efficiency of the cell, and we<br />
also describe the control system designed for optimizing the operation of the plant. Finally we<br />
summarize the questions arising when planning the market introduction: production of clean<br />
and cheap hydrogen, replacing the platinum with less valuable materials, and contradicting<br />
size, weight and efficiency requirements.<br />
vétel) játszódik le. Az elektronok a két elektródot összekötő fémes<br />
vezetőn jutnak el az anódtól a katódig. Fogyasztó (pl. elektromotor)<br />
beiktatásával az elektronokkal munkát lehet végeztetni, amelynek<br />
nagysága a két elektród közötti potenciálkülönbségtől és az áthaladt<br />
töltésmennyiségtől függ. A potenciálkülönbség nagysága az<br />
alkalmazott reakciópartnerek minőségétől, míg a hasznosítható<br />
töltésmennyiség azok mennyiségétől függ. Tehát az üzemanyagcellák<br />
három fő részből épülnek fel: egyrészt két elektródából (anódból és<br />
katódból), továbbá a katalizátorból (ami lehet platina vagy annak<br />
ötvözetei), és végül az elektrolitból vagy membránból (ami lehet<br />
szilárd anyag és folyadék is).<br />
Az üzemanyagcella működési folyamata az anódon átvezetett<br />
hidrogénnel kezdődik, ezt a platina katalizátor szétválasztja hidrogénatomokra.<br />
Ezután a H + ionok a membránon keresztül jutnak<br />
el a katódhoz. A membránt ezért nevezik protoncserélőnek, mivel<br />
csak a hidrogén iont, azaz a protont engedi át, míg a negatív töltésű<br />
elektront nem. Az elektronok egy külső fogyasztón keresztül<br />
tudnak átjutni a katódba. A katódra vezetett oxigénmolekulák a<br />
katalizátor segítségével szintén lebomlanak oxigénatomokra, melyek<br />
az anódból átáramló elektronokkal és a membránon átjutott<br />
hidrogénionokkal egyesülve vizet hoznak létre.<br />
Tehát a reakciók az elektródákban:<br />
anód: 2H 2 �4H + +4e – ,<br />
katód: O 2 +4H + +4e – �2H 2 O,<br />
ezekből az egyesített reakció:<br />
2H 2 +O 2 �2H 2 O.<br />
A DMFC működési elvét tekintve hasonló, mint a H 2 üzemanyagú<br />
cella, kivéve, hogy itt metanol oxidálódik:<br />
anód: CH 3 OH+H 2 O�CO 2 +6H + +6e – ,<br />
katód: (3/2)O 2 +6H + +6e – �3H 2 O,<br />
egyesített reakció:<br />
CH 3 OH+(3/2)O 2 �CO 2 +2H 2 O.<br />
Az egy cellával elérhető maximális elektromos munka egyenlő a<br />
Gibbs-féle szabadenergia-változással, ami az elektrokémiai reakciók<br />
során történik<br />
W = ∆G<br />
= −nFE<br />
ahol n a reakcióban részt vett elektronok száma, F a Faradaykonstans,<br />
és E a cella ideális potenciálja. Másrészről<br />
∆G = ∆H −T<br />
∆S<br />
A jövő járműve <strong>2007</strong>/<strong>1–2</strong>.<br />
53<br />
(1)<br />
(2)
Change language