MTA-BME Kutatócsoport






Megújuló forrásokból származó hidrogén felhasználását szolgáló PEM tüzelőanyag-cella kötegek továbbfejlesztése

Pályázati azonosító:
2017-2.3.7-TÉT-IN-2017-00049
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2018. július 1. - 2021. június 30.
Témavezető (BME):
Dr. Kovács József Gábor
Dr. Suplicz András
Résztvevő kutatók (BME):
Dr. Kovács József Gábor
Dr. Suplicz András
Konzorciumi partnerek (BME):
Indian Institute of Technology – Madras
Magyar Tudományos Akadémia, Természettudományi Kutatóközpont
Flaar Kft.

Pályázat összefoglalója

A jövő egyik legígéretesebb energiahordozója a hidrogén, amely környezetkímélő, hisz energiatermelés közben oxigénnel reagálva, belőle víz keletkezik. A hidrogénben tárolt kémiai energia az elégetésnél nagyobb hatásfokkal elektromos energiává alakítható tüzelőanyag-cellák segítségével. Az alacsony hőmérsékleten működő tüzelőanyag-cellák meghatározó alkatrészei a kémiai reakciókat elősegítő (katalizáló) katalizátor-elektródok, amelyek általában aktív szénből és platinából állnak. Az aktív szén az ún. hordozó, pórusos szerkezete révén biztosítja, hogy a rá felvitt katalitikus hatású platina és a tüzelőanyag minél nagyobb felületen érintkezzen. A hordozónak elektromos vezetőnek is kell lennie, hogy a katalizátoron lejátszódó reakcióban átlépő elektronokat rajta keresztül lehessen vezetni. Fontos elvárás még a hordozós katalizátorral szemben, a minél hosszabb élettartam. Nagy igénybevételnek kitett felhasználási területen - például járművekben, ahol a gyakran változó teljesítmény-igény, a gyorsítások-lassítások, leállások-indítások roncsolják a szerkezetüket - az aktívszén-platina kombináció stabilitása nem kielégítő. Kutatásunk új típusú, ellenállóbb katalizátor fejlesztését célozza. Terveink szerint a szén hordozót a platinával erősebb kölcsönhatásra képes titán-dioxiddal kombináljuk, amelyet az elektromos vezetőképesség biztosítása érdekében más fémekkel (molibdén, volfrám, nióbium) módosítunk. A tüzelőanyag-cellák másik elengedhetetlenül szükséges alkotórésze a bipoláris lemez, amely biztosítja az eszköz részegységeinek csatlakozását. Az eddig használt kevésbé saválló fém bipoláris lemezek helyett műanyag, új eljárással készített bipoláris lemezeket tervezünk. Az új eljárás célja, hogy a hagyományos fröccsöntéshez viszonyítva nagyobb töltőanyag tartalmakat, ezáltal jobb vezetőképességet tudjunk elérni. Az új típusú részegységekből várakozásaink szerint egy stabilabban működő és olcsóbb tüzelőanyag-cellát állítunk össze.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2018. július 1. - 2019. június 30.
A pályázati munka során első lépésben polipropilén, grafit és korom felhasználásával 0-40 m% töltőanyag tartalmú monokompozitokat készítettünk. A mintákon többek közt mechanikai, termikus, morfológiai és vezetőképesség méréseket végeztünk el. A mechanikai vizsgálatok alapján kimutattuk, hogy a grafittartalom, illetve a koromtartalom növelésével jelentősen csökkent a tönkremenetelhez tartozó nyúlás. Az elektromos vezetőképesség vizsgálatából kimutattuk, hogy grafitból minimum 30 m%-ot kell alkalmazni, hogy meghaladjuk a perkolációs határt. Korom alkalmazása esetén a vezetőképesség nem javult számottevően, így ennek a töltőanyagnak a perkolációs határértéke 30 m% fölé tehető. Ezt követően grafit és korom felhasználásával hibridkompozitokat fejlesztettünk. A monokompozitokhoz képest az elektromos vezetőképessége jelentősen javult, így a két töltőanyag hibrid rendszerben jól együtt tud működni. Egy speciális, mono- és bipoláris lemezeket gyártó fröccsöntő szerszám felhasználásával a kifejlesztett hibrid töltőanyag rendszerű kompozitból bipoláris lemezeket gyártottunk. A fröccsöntött, hibrid töltőanyag rendszerű bipoláris lemezek vezetőképessége 5,9 S/cm-re adódott. A szimulációs elemzésekhez elkészítettük egy prototípus bipoláris lemez háromdimenziós modelljét. A mintázat leképzésére fröccsöntési szimulációkat végeztünk. A szimulációkhoz különböző anyagmodelleket fejlesztettünk ki, hogy elemezni tudjuk a töltőanyag mennyiségének, így a viszkozitás növekedés fröccsnyomás szükségletre gyakorolt hatását. Emellett elemeztük a formaüreg kitöltése során a töltőanyagok folyási út menti eloszlásának folyamatát is, amely a termék tulajdonságait jelentősen befolyásolhatja, úgymint például a zsugorodását vagy a lokális elektromos- és hővezetését. Az analóg modelleken végzett mérések eredményeihez és a folyamatok leírásához matematikai modelleket készítettünk, amiket felhasználtuk a szimulációs módszerek fejlesztéséhez és validálásához.
Bipoláris lemezek kitöltési képének szimulációs analízise

2. munkaszakasz
2019. július 1. - 2020. június 30.

3. munkaszakasz
2020. július 1. - 2021. június 30.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Semperger O. V., Suplicz A.: The effect of titanium dioxide on the moisture absorption of polyamide 6 prepared by T-RTM. in '12th Hungarian Conference on Materials Science Balatonkenese, Magyarország. 2019.10.13-2019.10.15,8 (2020)
  2. Suplicz A., Boros R., Semperger O. V.: Investigation of the interfacial adhesion of glass bead-filled multicomponent injection moulded composites. in '12th Hungarian Conference on Materials Science Balatonkenese, Magyarország. 2019.10.13-209.10.15,7 (2020)
  3. Fris D. R., Szabó F.: Modelling of segregation during injection moulding. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 903, 012022/1-012022/8 (2020) doi:10.1088/1757-899X/903/1/012022
  4. Semperger O. V., Suplicz A.: The Effect of the Parameters of T-RTM on the Properties of Polyamide 6 Prepared by in Situ Polymerization. Materials, 13, 4-14 (2020) 10.3390/ma13010004 IF(2019)=3.057 Q2
  5. Fris D. R., Szabó F.: Hálófinomítási eljárás fejlesztése fröccsöntési szimulációs alkalmazásokhoz. in 'XXVIII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT 2020 Online. 2020.04.25.-2020.04.26,57-60 (2020)
  6. Boros R., Sibikin I., Ageyeva T., Kovács J. G.: Development and Validation of a Test Mold for Thermoplastic Resin Transfer Molding of Reactive PA-6. Polymers, 12, 976/1-976/13 (2020) doi:10.3390/polym12040976 IF(2019)=3.426 Q1
  7. Suplicz A., Semperger O. V., Kovács J. G.: Modeling the Thermal Conductivity Inhomogeneities of Injection-Molded Particle-Filled Composites, Caused by Segregation. Polymers, 11, 1691/1-1691/12 (2019) 10.3390/polym11101691 IF=3.426 Q1
  8. Semperger O. V., Suplicz A.: Titán-dioxid hatása az in-situ polimerizációval előállított poliamid 6 minták tulajdonságaira. Polimerek, 5, 730-733 (2019)
  9. Semperger O. V., Suplicz A.: Titán-dioxid hatása az in-situ polimerizációval előállított poliamid 6 minták tulajdonságaira. in 'XXVII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT 2019 Nagyvárad, Románia. 2019.04.25.-2019.04.28,472-475. (2019)
  10. Zink B., Kovács N. K., Kovács J. G.: Thermal analysis based method development for novel rapid tooling applications. International Communications in Heat and Mass Transfer, 108, 104297/1-104297/9 (2019) 10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.104297 IF=3.971 Q1
  11. Ageyeva T., Sibikin I., Kovács J. G.: A Review of Thermoplastic Resin Transfer Molding: Process Modeling and Simulation. Polymers, 11, 1555/1-1555/28 (2019) 10.3390/polym11101555 IF=3.426 Q1

© 2014 BME Polimertechnika Tanszék - Készítette: Dr. Romhány Gábor