Különbségek

A kiválasztott változat és az aktuális verzió közötti különbségek a következők.

--- fenntarthato_kozlekedes:tuezeloanyagcellak [2012/05/21 07:41] – [Típusok] 145.253.155.117
+++ fenntarthato_kozlekedes:tuezeloanyagcellak [Unknown date] (aktuális) – külső szerkesztés (Unknown date) 127.0.0.1
@@ Sor 1: / Sor 1: @@
+====== Üzemanyagcella ======
+A világ energiaigénye egyre nő. Az elektromos energiatermelés elsősorban fosszilis energiahordozók felhasználásán alapul, mely azonban véges erőforrásunk. Csökkenése a jövőben energiaválsághoz vezethet. Az iparosodott országok olajtól való függésén túl -- mely a 70-es évek olajválságában erőteljesen megmutatkozott -- egyre nagyobb szerepet kapnak az emberi tevékenység környezetromboló hatásának mérséklésére tett globális törekvések.
+Egy jövőbeli súlyos energiaválság enyhítése esetleg teljes elkerülése, valamint a Föld gyorsan gyarapodó népessége mellett fenntartható fejlődés, az élhető környezet érdekében szükséges egy alternatív energiaforrásokra épülő energiaszektor kiépítése.
+A fosszilis energiahordozók felhasználást kiválthatja többek között az üzemanyagcellák szélesebb körű alkalmazása. Használata csökkenti a károsanyag-kibocsátást is. A megújuló energiaforrások (szél, víz, nap) használatával szemben előnye a folyamatos elérhetősége.
+Az üzemanyagcella az egyik legrégebbi energiaátalakító technológia. Üzemanyagcellák már a 19. század második felében léteztek, ám fejlesztésüket a 20. század megnövekedett elektromos energia igénye, valamint a fosszilis üzemanyaggal működő járművek aggasztó mértékű környezetszennyező hatása felgyorsította.
+Főként épületek másodlagos tápellátáshoz használják őket, illetve léteznek üzemanyagcellás járművek (autó, motorbicikli, repülőgép, hajó és munkagépek).
+Az **üzemanyagcella** olyan eszköz, mely kémia energiát alakít át elektromos energiává kémia reakció útján, oxigén vagy egyéb oxidálóanyag segítségével [1].  A leggyakoribb tüzelőanyag a hidrogén, de szénhidrátok (természetes gázok és alkoholok), pl. metanol is használatosak.
+Többféle üzemanyagcella létezik, de alapvető felépítése mindegyiknek nagyon hasonló: egy anód-katód párból, és a kettő közötti töltésáramlást lehetővé tevő elektrolitból áll. Az elektronok az anód felől egy külső körön át a katód felé vándorolnak, és ezáltal egyenáram keletkezik.
+Az üzemanyagcellák abban különbözik a telepektől, hogy működésük állandó üzemanyag és oxigénellátást igényelnek.
+{{:fenntarthato_kozlekedes:hidrogencella.png?400|Hidrogén/oxigén üzemanyagcella sémarajza és reakciói protonáteresztő membrán esetén}}
+Az egyes cellák önmagukban csekély mértékű (<1V) elektromos feszültséget adnak le [2]. Ezért több cellát együttesen alkalmazva lehet a megfelelő teljesítményt elérni. Az üzemanyag cellák modularitása nagyfokú rugalmasságot tesz lehetővé.
+===== Típusok =====
+A cellák típusa a bennük alkalmazott elektrolittól függ.
+  * alacsony hőmérséklet:
+    * Alkáli üzemanyag cella (AFC)
+    * Polimer elektrolit üzemanyag cella (PEMFC)
+    * Közvetlen metanol üzemanyag cella  (DMFC)
+  * magas hőmérséklet:
+    * Olvasztott karbonát üzemanyag cella (MCFC)
+    * Szilárd oxid üzemanyag cella (SOFC)
+==== Hőmérséklet ====
+Egy csoportosítási lehetőség a működési hőmérséklet. E szerint léteznek magas (600--1600 C) és alacsony (600 °C alatt) hőmérsékletű cellák
+==== Üzemanyag ====
+Dízel, metil-alkohol és egyéb hidrogénvegyületek.
+Gáz, folyékony.
+Az autógyártók egyik kedvelt üzemanyaga a metanol, melyből gázreformálással hidrogént lehet a járműben előállítani.
+=== Gőzreformálás ===
+A gőzreformálás a tömeges hidrogén-előállítás leggyakoribb és egyben legolcsóbb módszere.
+Magas (700 -- 1100 °C) hőmérsékleten fémkatalizátor (nikkel) jelenlétében a vízgőz metánnal reagál, szénmonoxid és hidrogént keletkezik. További hidrogén állítható elő alacsonyabb hőmérsékleten, a szénmonoxid elégetésével.
+CH<sub>4</sub> + H<sub>2</sub>O → CO + 3 H<sub>2</sub>
+CO + H<sub>2</sub>O → CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>
+A metanol üzemanyag alkalmazásának több hátránya van. A gázreformálás hatékonysága 65-75%. Az átalakítás miatt nagyobb a válaszidő, valamint az előállított nitrogén jelentős tisztításra szorul az alkalmazhatóság előtt. További hátrány az eljárás magas hőmérséklete, a membránon átjutó metanol okozta kisebb teljesítménysűrűség [3].
+Alkohol vagy szénhidrogén üzemanyag esetén a hőmérsékleti integráció bonyolult a magas hőmérsékletű cellák esetén. ???
+==== Melléktermékek ====
+Az elektromos energia mellett típustól függően víz, hő, nitrogén-dioxid és egyéb gázok keletkeznek.
+Hidrogén meghajtású üzemanyagcella csak vizet termel.
+==== Hatásfok ====
+Az üzemanyagcellák elektromos hatásfoka jobb a hőgépekénél [3].
+Az üzemanyagcellák hatásfoka általában 40% és 60% között van [5]. Ha a felszabaduló hőt is hasznosítják, akkor  85%-os hatásfok is elérhető.
+A hőt erőművekben további elektromos energia termelésére használhatják, vagy biztosítható vele az épület vagy jármű fűtése.
+Egy belső égésű motor hatásfoka  25% körül van [6].
+===== Hidrogéncellák =====
+====Polimer elektrolit cella (PEMFC) ====
+{{:fenntarthato_kozlekedes:pemfc.jpg?400|Polimer elektrolit üzemanyag cella}}
+A polimer elektrolit membránnal működő cella közlekedésben való alkalmazhatósága bizonyított [3].
+Ezen kívül a  DMFC és az AFC típusokat alkalmazzák közlekedésben, valamint az MCFC és és SOFC típusokat tömegközlekedésben (vonatok, hajók).
+Anódreakció: H<sub>2</sub> -> 2H<sup>+</sup> + 2e<sup>-</sup>
+Katódreakció: 1/2 O<sub>2</sub> + 2H<sup>+</sup> + 2e<sup>-</sup> -> H<sub>2</sub>O
+Teljes reakció: H<sub>2</sub> + 1/2 O<sub>2</sub> ->  H<sub>2</sub>O
+A PEMFC feltehetően le fogja váltani az alkáli cellákat (AFC).
+Egy 2009-es amerikai felmérés [4] szerint egy 80 kW-os, autókban használt polimer elektrolit membrános üzemanyagcella rendszer költsége (évi 500000 legyártott egységre vetítve) 61 dollár/kW.
+E költség legalább felére csökkentése szükséges ahhoz, hogy a jövőben a felvehesse a versenyt a jelenlegi piaci technológiákkal, pl. a gázolaj üzemű belső égésű motorral.
+Az ár csökkentés egyik módja az olcsóbb katalizátor használata. Jelenleg platinum katalizátor használnak, ez nem megfelelő, jobbat kell találni. Kevésbé drága fémek, nitrogén, szén jó lenne, de túl lassú a reakció.
+Előnyök: alacsony működési hőmérséklet, nagy teljesítménysűrűség.
+Hátrányok: A membránt hidratálni kell: a vizet olyan ütemben kell porlasztani, amilyen ütemben párolog, különben a cella tönkremegy, illetve nem működik. stb.
+...
+==== Alkáli cella (AFC) ====
+Hibrid járművekhez alkalmazható az alkáli üzemanyagú cella, ha cirkuláló elektrolitot és tiszta hidrogént használnak.
+A tiszta hidrogén beszerzése egyes helyeken nehézkes, így feltehetően csak specifikus felhasználási területe lesz, pl. tömegközlekedésben.
+Továbbá űrjárművekben esetében ez egy bevett technológia. A személyautók üzemanyag utántöltés cseppfolyósított hidrogénnel oldható meg rövidtávon.
+AFC, vagy angol feltalálója után Bacon üzemanyagcella az egyik legfejlettebb technológia. Hidrogén és tiszta oxigénből víz, hő, elektromos áramot termel. Hatékonysága elérhető akár a  70%-ot is. Gyártása ennek a legolcsóbb, mivel az elektródák anyaga sokféle lehet.
+Anódreakció:
+H<sub>2</sub> + 2OH<sup>-</sup> -> 2H<sub>2</sub>O + 2e<sup>-</sup>
+Katódreakció:
+O<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O + 4e<sup>-</sup> -> 4OH<sup>-</sup>
+Az elektrolit vizes alkáli oldattal (pl. kálium-hidroxid) adalékolt porózus mátrix. Ez az oldat nem taszítja? a szén-dioxidot, így  a cella szennyeződhet (pl. a KOH kálium-karbonáttá alakul). A szennyeződés eltömi a katód pórusait, és csökkenti az ionos vezetőképességet.
+A szennyeződés elkerülése érdekében tiszta oxigére, vagy legalább tisztított levegőre van szükség. Ez drágává teszi a technológiát.
+Két fő változata van: statikus és folyékony elektrolitos. A folyékony elektrolit cserélhető (ahogy az autóban az olaj), viszont ez a változat nagyobb helyet igényel és kisebb teljesítményű.
+A szilárd állapotú AFC egy olyan típus, melyben folyékony elektrolit helyett alkáli anioncserélő membránt alkalmaznak. Ezzel eltűnik a szennyezés problémája.
+Létezik metál-hidrid és közvetlen borohidrid cella is.
+A világ első üzemanyagcellás hajóha, a HYDRA egy 6,5 kW teljesítményű AFC rendszert használt.
+Kereskedelmi forgalomb a nemrég kifejlesztet  bi-poláris lemezzel ellátott változat kerülhet, mely teljesítményét tekintve jelentősen meghaladja elődjét, az egylemezes változatot.
+==== Szilárd oxid üzemanyag cella  (SOFC) ====
+Szilárd oxidot használnak elektrolitként. Magas hőmérsékletű (500 °C és 1000 °C).
+Fő előnye a PEMFC képest a szénhidrogén üzemanyag problémamentes használata.
+Nincs szükség tiszta hidrogénre, hanem elegendő részben előreformált szénhidrogén, pl gázolaj.
+Proton vezető SOFC (PC-SOFC): újabb; itt oxigén ionok helyett protonok jutnak át az elektroliton, így alacsonyabb működési hőmérséklet érhető el.
+Nincs szükség drága platina katalizátorra mint PEMFC esetén,
+Nincs CO katalizátor szennyezés, viszont kénszennyezés lehetséges, ezért a ként szűrni kell.
+===== Közvetlen metanol üzemanyag cella  (DMFC) =====
+A közvetett metanol cellában a metanol hidrogénnel reagál, itt viszont a metanolt közvetlenül az anódra adagolják. (Itt nem az elektrolit határozza meg a típust.)
+Előnye a protonáteresztő membrános cellákkal (PEMFC) szemben felépítésének egyszerűsége.
+===== Mikrobiális üzemanyagcellák =====
+A mikrobiális üzemanyagcellák egy viszonylag új kutatási terület. A mikrobiális üzemanyagcella bioelektrokémiai alapon működik. A cellában az oxidáció biológiai úton történik: mikrobák szerves anyagot oxidálnak és így termelnek elektromosságot. Egy ilyen cella tipikusan egy anód- és egy katódtérből áll, a két teret pedig egy kationszelektív membrán választja el. Az anódtérben a mikrobák a szerves anyagok lebontása közben elektronokat adnak át az anódnak, amelyek a katód irányába vándorolnak. Eközben a töltéskiegyenlítés céljából a keletkező protonok átdiffundálnak a protonszelektív membránon a katódtérbe.
+A berendezés működése függ az alkalmazott baktériumkultúrától és tápanyagtól, az anód és katód anyagától és felületétől valamint a hőmérséklettől [2].
+===== Hidrogénautó =====
+Prototípusok:  Honda FCX Clarity, Mercedes-Benz F-Cell sb.
+Két tankolás között több mint 400 km-t is megtettek már, az üzemanyag újratöltés néhány percig tart.
+Elképzelhető, hogy még évtizedeket kell várni a piacképesség eléréséhez. Hidrogén-töltőállomások kellenek.
+Az Egyesült államokban 2003-ban indult a Hidrogén Üzemanyag Kezdeményezés programja, mely a hidrogéncellák továbbfejlesztésével és az ahhoz kapcsolódó infrastruktúra kiépítésével a hidrogénautók kereskedelmi forgalomba hozását célozta. A programra milliárd dollár nagyságrendben költöttek. Az Obama-kormány csökkentette a program támogatását, arra hivatkozva, hogy a más járműtechnológiák hamarabb fognak a káros anyag kibocsátás csökkenéséhez vezetni.[7] A kormány szerint a hidrogénautók használata még 10--20 évig nem lesz praktikus.[8]
+===== Autók =====
+ Auxiliary Power Units (APU) dízelautókba: segédtáp az akkumulátor helyett: autó elektromos berendezéseihez, légkondihoz, stb.
+Az üzemanyagcellás autó prototípusokba protonáteresztő membránt és elektromos meghajtást építenek. E cellák járművek hajtására alkalmasak magas teljesítménysűrűségük és, kis méretük, csekély tömegük és alacsony (100 °C alatti) működési hőmérsékletük miatt.
+Megbízhatóság, ár...
+A járművekben csak korlátozott hely áll rendelkezésre az üzemanyagcella kialakításához, és kritikus a reakciók gyors beindulása is.
+Meg kell oldani a cella azonos hőmérsékleten tartását, a hő elvezetését. A cellának  -35 °C és 40 °C között megbízhatóan kell működni, indulni.
+===== Zárás =====
+Noha kereskedelmi forgalomban jelenleg nincsen kizárólag üzemanyagcellával hajtott autó, az üzemanyagcellás járműveknek van jövője, elsősorban nagy elektromos hatásfokuk miatt. Mára számos kutatócsoport foglalkozik az üzemanyagcellák továbbfejlesztésével: többek között új membránok (PEMFC és DMFC) kutatásával, katalizátorok hatékonyságának növelésével, ármlásmező-szerkezetek és hátlapok optimalizálásával.
+A jövő feladata az üzemanyagcellákban lejátszódó komplex folyamatok, kölcsönhatások jobb megértése, és a járműmeghajtáshoz ideális cellák kifejlesztése.
+===== Linkek =====
+http://www.biblio.com/books/436308472.html [1]
+[[http://veab.mta.hu/upload/file/VajdaB(1).pdf]] [2]
+http://www.alternativenergia.hu/kategoriak/technologiak/zold-auto/hidrogen-uzemanyagcella
+===== Források =====
+[1]  R.S. Khurmi, R.S. Sedha: //Materials Science//. S. Chand & Company Ltd., 2010.
+[2] Vajda B., Nemestóthy N., Bélafiné Bakó K.: //Mono és kevert kultúrájú mikrobiális üzemanyagcellák//. Veszprém, Pannon Egyetem; Biomérnöki, Membrántechnológiai és Energetikai Kutató Intézet
+[3]  L. Carrette, K. A. Friedrich, U. Stimming: //Fuel Cells – Fundamentals and Applications.// 2001. , 1: 5–39. doi: 10.1002/1615-6854(200105)1:1<5::AID-FUCE5>3.0.CO;2-G
+[4] Jacob Spendelow, Jason Marcinkoski: //Fuel Cell System Cost// 2009, Department of Energy, USA
+[5] //Comparison of Fuel Cell Technologies//. 2011, U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Fuel Cell Technologies Program
+[6] //Fuel Economy: Where The Energy Goes//.  2011, U.S. Department of Energy, Energy Effciency and Renewable Energy
+[7] Chu Steven: //Winning the Future with a Responsible Budget.// 2011, U.S. Department of Energy
+[8] Matthew L. Wald: //U.S. Drops Research Into Fuel Cells for Cars.// 2009, New York Times