A szabadionnal telített közegben működő energiacella fejlesztés eredményeinek bemutatása

A projekt a „Vállalatok K+F+I tevékenységének támogatása kombinált hiteltermék keretében” című és GINOP-2.1.2-8.1.4-16 azonosítószámú pályázati kiírás támogatásával valósult meg.

Összegzés

A Max-Construct Kft fejlesztésének végtermékeként egy olyan energia cella, került kifejlesztésre, ami független egyéb más energia előállító és szállító technológiáktól, a folyamat elindításához és stabil hosszú távú működéséhez nincs szükség egyéb külső energia vagy energiahordozó bevonására, napi 24 órában működik, valós alternatívát nyújt a tengerpartok mellett élőknek napelemes és szélgenerátor technológiák mellett a villamos energia előállítására.

A prototípus feszültségszintje meghaladja a 15V-ot és a cella által leadott áramerősség rövid távon akár 20A-t, hosszú távon pedig min. 6-A-t tud előállítani.

A prototípus az ún. katódelrendezésen alapuló energiacella, mely tartalmaz katódanyag térrészt meghatározó, elektrolit által átjárható katódfalat tartalmazó katódházat, valamint a katódanyag térrészbe első végrészével benyúló, második végrészével a katódanyag térrészen kívülre nyúló, szénből lévő katódelemet és a katódanyag térrészben 2-5 mm átmérőjű, hengeres alakú, szénből extrudált katódszemcséket. Az innovatív eljárás részét képezi még a katódelrendezést tartalmazó energiacella, az energiacellát tartalmazó hidrogéngáz-feldolgozó elrendezés és az energiacella alkalmazása elektrolitként tengervizet használva.

A fejlesztés során speciális elektronikát is fejlesztettünk az energiacellából nyert villamos energia akkumulátorok töltésére alkalmassá tételére.

Az energiacella működési elve a galvánelem hatáson alapul, melynek értelmében két elektród között (anód és katód) elektrolit közegben elektromos áram indukálódik és az elektrolitot maga a sós tengervíz adja.

Berendezésünk működési elvének és működésének megértéséhez néhány kémiai és fizikai alapelv a hétköznapinál valamivel mélyebb ismerete szükséges.

Ion, ionizáció:

A Wikipédia meghatározásai szerint:

„Az ion: Olyan atom vagy molekula (atomcsoport), mely elektromos töltéssel rendelkezik. A negatív töltésű ion, más néven anion olyan atom vagy molekula, melynek egy vagy több elektrontöbblete van, a kation pedig pozitív töltésű ion, amiben egy vagy több elektronhiány van, mint az eredeti részecskében. A folyamat, mely során létrejönnek az ionok, az ionizáció. Az ionizált atomokat vagy atomcsoportokat úgy jelölik, hogy az atom vagy molekula fölött jelölik az elvesztett vagy szerzett elektronok számát (kivéve, ha egy van, akkor nem jelölik), és a töltést (+ vagy −). Példa: H⁺, O²⁻.

Egyszerű atomok esetén a fémek legtöbbször kationokat hoznak létre, a nemfémek anionokat, például a nátrium Na⁺ kationt, míg a klór Cl⁻ (klorid) aniont hoz létre.

Bonyolultabb szerves molekulák ikerionos állapotba is kerülhetnek, ekkor egyszerre anionos és kationos tulajdonságúak.”

Ionizációs energia:

„Az az energiamennyiség, mely ahhoz szükséges, hogy kationt hozzunk létre egy semlegesebb (nem feltétlenül semleges) töltésű atomból, az ionizációs energia. Általánosabban egy atom n-edik ionizációs energiája az az energiamennyiség, mely ahhoz szükséges, hogy az n-edik elektront leszakítsuk az atomról, miután az előző n–1-et már leszakítottuk.”

Minden sikeres elektronleszakítás során a következő ionizációs fázishoz szükséges energia mennyisége növekszik. Rendkívüli a növekedés, amennyiben egy adott atompálya kiürül, és a következőről kell leszakítani az új elektront. Ezen okból az atomok igyekszenek úgy elrendeződni, hogy telített atompályáik maradjanak. Emiatt például a nátriumból létrejövő Na⁺-t gyakran megtaláljuk, de a Na²⁺-t nem, a nagy ionizációs energiaigény miatt. Ugyanígy a magnézium Mg²⁺ formája gyakori, míg Mg³⁺ formája nem, és az alumíniumnak csak az Al³⁺ formája fordul elő a természetben.”

Elektronaffinitás:

„Az az energia, amely egy atom esetében egy elektron befogásához szükséges. Az elektronaffinitás halogénelemek csoportján belül a rendszám növekedésével csökken (kivétel a fluor, amelynek az elektronaffinitása valamivel kisebb, mint a klóré). Két kapcsolódó atom közül az képes erősebben magához szívni a kötő elektronpárt, amelyiknek nagyobb az elektronaffinitása (vagyis anionná alakulásakor nagyobb energia szabadul fel). Ennek a fogalomnak értelmezéséhez abból indulhatunk ki, hogy ha a kapcsolódó A és B atomok elektronaffinitása egyenlő, az A,B- kötés energia az A,A és B,B kapcsolatok energiáinak számtani középértéke.”

Mit értünk szabadionnal telített közegnek:

Míg a fémekben az elektromos töltéssel rendelkező atomokat vagy molekulákat (atomcsoportokat) elektronoknak hívjuk addig ugyan ezeket a molekulákat folyadékban vizsgálva ionoknak nevezzük. Az elektronok áramlásának kialakulása a különböző anyagok elektród potenciálszintjén alapul.

Fejlesztésünk során létrehozott új termék, egy már ismert műszaki-tudományos eredmény felhasználásával készül el. Az IMK Laboratórium Kft. által 2015.11.16-án P15 00545 számon bejegyzett szabadalmának részleges alkalmazásával, egy olyan energiacellát fejlesztünk ki, mely szabad ionokkal telített folyadék közegben az anód/katód pár között elektronok áramlását biztosítja.

Hasonlóan a galvánelemekhez a fém elektróda és az elektrolit között potenciálkülönbség alakul ki. Az anód fémből, elektronok hátra hagyásával pozitív fémionok mennek az oldatba, tehát a fém töltése az oldathoz képest negatív lesz. Az oldatból, elektronok hátra hagyásával pozitív ionok válnak ki a katód felületén, tehát annak töltése az oldathoz képest pozitív lesz.

Galvánelem:

„A galvánelem két elektródból (fél cellából) áll. A legegyszerűbb galvánelem az, amikor a két tiszta fémelektród saját ionjait tartalmazó sóoldatba merül. A sóoldatban a bemerülő fém oxidált, pozitív töltésű kationjai és az ezeket semlegesítő anionok találhatók. Az elektródok a fémet két különböző oxidációs állapotban tartalmazzák. A lejátszódó redoxireakciót a konvenció szerint a redukció irányában írjuk fel. 

Bagdadi elemek i.e. 250 és i.sz. 250 között

Vitatott ugyan, de különböző elméletek és megközelítések arra engednek következtetni, hogy már időszámításunk hajnalán létezhetett a technológia alapja. Bagdadi elemekként azokra a mezopotámiai vázákra szoktak utalni, amelyekkel egyes alternatív történészek szerint, elektromos áramot lehetett létrehozni.

A potenciálkülönbség nagysága akkora, hogy megakadályozza a további elektron átadást, így a kialakuló feszültség mértékét az anód-katód közötti elektródpotenciál egyértelműen maximálja.

Csányi féle galvánelem 1903

Egy egyszerű galvánelem az alábbi módon állítható elő: egy higított kénsavval töltött üvegedénybe egy-egy cink- és rézelektródát helyezünk el. A rézelektródából (vegyi hatás következtében) elektronok lépnek ki a kénsavba, ezzel pozitív töltésűvé válik. A cinkelektróda felületén ennek fordítottja játszódik le, az elektronok a kénsavból lépnek át, tehát itt elektrontöbblet keletkezik, azaz a cinkelektróda negatív töltésű lesz. Az elektródok töltései kiegyenlítődni igyekeznek, ezért az elektródok között feszültség mérhető, cca. 1 volt, amely a terhelés folyamán lecsökken.

Vagy még egyszerűbben:

a citromban nem csak vitamin van

A fejlesztés folyamata alatt, többféle anód/katód anyagpárosítást és azok különböző kialakítását és elrendezését vizsgáltuk meg, a lehető legnagyobb mértékű feszültségszint elérése érdekében. A célunk az volt, hogy egy olyan sósvízben (mint elektrolitban) működő energiacellát hozzunk létre, mely feszültségszintje meghaladja a 15 volt feszültséget, ezzel együtt rövid távon, akár 20 ampert, hosszú távon pedig stabilan, minimum 6 amper áramerősséget legyen képes előállítani.

az optimális anyagpárosítás (magnézium/szén) az elektromos kapcsolat kialakítását biztosító aljzatba szerelve

Szabad ionnal telített közegben működő energiacella fejlesztése során három különböző fejlesztési területre koncentráltunk.

1./ Energiacella fejlesztése:

Optimális anód/katód anyagok és azok elrendezésének kikísérletezése. Az anód/katód párosításánál a legmagasabb elektródpotenciálokat a szén/magnézium (anód pozitív/katód negatív) párosítása során voltunk képesek előállítani.

anód/katód anyag méret és elhelyezés: a magnézium rúd és a kék kosárban a szénrúd

2./ Elektronika fejlesztése:

Az energia cella által előállított egyenáram stabilizálása, a gyakorlati életben is használható feszültségszintek és áramerősségek biztosítása céljából. töltésvezérlés. Az elektronika fejlesztésénél kipróbáltunk néhány már a kereskedelemben kapható és kifogástalan működésre képes töltésvezérlő egységet, de a speciális körülményeket és az egység stabil működésének érdekében támasztott saját követelményeinknek egyik sem felelt meg.

Annak érdekében, hogy az extrém körülményeknek, széles felhasználási igényeknek megfelelő töltésvezérlést építhessünk be egységünkbe, saját fejlesztésű vezérlést kellett építeni és a cellákkal együtt folyamatosan tesztelve, tökéletesíteni.

saját fejlesztésű elektronika és vezérlés

A szabad ionnal telített közegben működő energiacella egység, mint energiatermelő blokk, a kísérleti fázisban, összeszerelés közben. A kilenc egységet tartalmazó energiablokk egységei sorba kötve.

energiacella blokk

Tesztek és a kísérleti folyamat: fizikai kísérletek során sikerült kifejleszteni azt a sósvízben (mint elektrolitban) működő energiacellát, mely feszültségszintje meghaladja a 15 voltot, és rövid távon 20 ampert volt képes leadni, mindezt pedig stabilan és a kísérletek ideje alatt hosszú távon is.

sósvizes kísérleten már átesett egységek

3./ 3D modellezés és tervezés:

A végtermék formai megjelenésének tervezése, különböző változatok kialakítása a várható vevői igények/elvárások feltérképezésével összhangban.

üzemanyagcella magnézium és szénrudainak elhelyezési modellezése 3D technológiával

Az energiacellánk felépítése:

A fejlesztés eredményeként létrehozott, gyártásra kész egység:

Energiacellák a tengervíz által átjárható dobozolásban

Egy egység, tartalmaz 9 db energia termelő cellát, maximális kapacitása: 5 V, feszültségen, 1 A áramerősség, 2,5 Watt teljesítménnyel. Az általunk fejlesztett elektronika képes szabványos feszültségszintre emelni a kijövő teljesítményeket, a piacon kapható eszközigényeknek megfelelően például telefontöltéshez 5 V, 1A, vagy egy vitorlás hajó elektromos rendszereinek alap működtetéséhez, 12 V, 2 A, vagy esetleg több egység sorba kötésével elérhető nagyobb teljesítmény is.

A szabad ionnal telített közegben működő energiacella egység alapelvén, a leghatékonyabb anód/katód párosítás ki kísérletezésével, a dimenziók növelésével (energiatermelő felületek). képesek vagyunk háztartási méretű energiacella megépítésére is.

A fejlesztés végeredménye egy olyan áramforrás, ami a tengerek mellett élő népesség számára, függetlenül a fosszilis energiahordozóktól, napsugárzási és szélviszonyoktól, éjjel nappal és a mi a legfontosabb, stabilan működni képes, állandóan alkalmazható energiaforrást biztosít, akár háztartási méretben is

Záró gondolatok

Az elkészült prototípus, és a sorozatgyártás során létrejövő termékek teljes mértékig környezetbarátnak tekinthetők, így hozzájárulnak a fenntartható környezethez. A tengervíz segítségével előállított energia megújulónak minősül, mivel semmilyen fosszilis energiahordozót nem használ a villamos energia előállításához. Nem szennyezik az élővizeket, nincs melléktermék, nincs emisszió.

A fejlesztéssel nem csak adott fogyasztókat lehet stabilan és hosszútávon ellátni villamos árammal, hanem ahol erre a külső körülmények is biztosítottak, nagyobb akkumulátor telepeket, akkumulátor farmokat is lehetne folyamatosan működtetni, ezzel kisebb – nagyobb lakóközösségek energiaellátását biztosítani, természetesen a megfelelő karbantartás mellett.

Az új prototípus révén lehetőség nyílik a tengervizes energiacella további felhasználására különböző termékfejlesztések keretében.

A jövő a megújuló energiaforrások egyre nagyobb arányú hasznosíthatósága felé mutat, amiben ez a termék és a későbbi termékfejlesztések is úttörő szerepet tudnak játszani.

Szerző: Tankó Gábor fejlesztő mérnök

További friss híreket talál az IoTmagazin főoldalán! Csatlakozzon hozzánk a Facebookon is!