Figylem! Ez a cikk 17 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az alternatív energiatermelési módozatok egyre inkább előtérbe kerülnek a hagyományos energiahordozók drágulása, illetve környezetvédelmi szempontok miatt. A kísérleti stádiumot lassan a tüzelőanyag-cellák esetében is felváltja a konkrét hasznosítás ideje.
A decentralizált energiatermelés szempontjából fontos, hogy a tüzelőanyag-cellás villamosenergia-termelő egységek gyorsabban telepíthetők a helyszínre, mint más erőművi megoldások vagy távvezeték építések. Tüzelőanyag-cellás egység telepítésével, amennyiben azt a meglévő és szabad kapacitással rendelkező földgázhálózatról tápláljuk, csökkenthető egyes régiók villamos távvezetékeinek terheltsége, illetve vesztesége. Ezzel egyben növelhető az adott helyi villamosenergia-rendszer stabilitása is.
A kiforrott tüzelőanyag-technika az egyik legjárhatóbb út lehet a szünetmentes áramellátás biztosítására a kritikus fogyasztóknál, kiváltva ezzel egyéb UPS- és dízelegységeket is. Ezen alkalmazások különösen előnyösek akkor, ha a termelt hő is helyben felhasználható. Herbert Ferenc, a Budapesti Műszaki Főiskola Kandó Kálmán Villamosmérnöki Főiskolai Kar Megújuló Energiaforrás Kutatóhely vezetője a tüzelőanyag-cellákról szolgál információval mostani számunkban.
A tüzelőanyag-cella lényegében galvánelem-féleségnek tekinthető, amely elektromos energiává képes alakítani a kémiai energiát, az elemet alkotó elektródok és elektrolit pedig nem változnak. A „hivatalos” megfogalmazás szerint: a „tüzelőszert, mint hidrogént, etanolt, metánt stb., valamint az oxidálószert alkotó oxigént, esetleg a levegőt folytonosan táplálják be, és az energiatermelő reakcióban létrejött terméket elvezetik”.
Az üzemanyagcellák az elemekhez hasonlóan vegyi reakciókkal közvetlenül elektromosságot állítanak elő; a különbség az, hogy míg az elemeket kifogytuk után el kell dobni, az üzemanyagcella mindaddig üzemel, amíg üzemanyagot töltünk bele. A szerkezet alapegysége két elektródából áll, egy elektrolit köré szendvicsszerűen préselve.
Az anódon hidrogén, míg a katódon oxigén halad át. Katalizátor segítségével a hidrogénmolekulák protonokra és elektronokra bomlanak. A protonok keresztüláramlanak az elektroliton. Az elektronok áramlása, mielőtt elérné a katódot, felhasználható elektromos fogyasztók által. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénmolekulákkal, vizet hozva létre. A folyamat során hő is termelődik. Az üzemanyag-átalakítót (reformer) tartalmazó rendszerek képesek felhasználni bármely szénhidrogén tüzelőanyagot, a földgáztól kezdve a metanolon át a gázolajig. Mivel az üzemanyagcella nem égésen alapul, hanem elektrokémiai reakción, az emissziója mindig jóval kisebb lesz, mint a legtisztább égési folyamatoknak. A tüzelőanyag-cella egyenfeszültségét inverteregységgel alakítják át ipari frekvenciájú váltakozó feszültséggé. Az inverterek hálózatszinkron üzeme megoldott.
A tüzelőanyag-cella története
A tüzelőanyag-cella előnye és hasznossága – a napelemtáblákhoz hasonlóan – az űrkutatásban jelentkezett először, a kísérleteket követően az Apolló-programban használták. Az első tudományos kísérleteket a walesi születésű Sir William Grove (1811–1896) végezte, akit gyakran a tüzelőanyag-cella atyjaként emlegetnek. 1839-ben az elektrolízis vizsgálatánál elektromosságot alkalmazva igazolta, hogy annak folyamata visszafordítható. Kísérletében az elektródák környezetébe egyik oldalról hidrogén-, a másik oldalon oxigéntartalmú oldatot vezetett, és az elektródák között felépülő feszültséget mérte. A kezdetben „gas battery” kísérleti berendezést később „fuel cell”-nek nevezték. Grove a tüzelőanyag-cellával kapcsolatos kutatásaival a gőzgépnek akart versenytársat teremteni, életében kevés eredménnyel.
Ezt követően kutatások sora következett Németországban, majd Francis Bacon 1932-ben alkáli elektrolitot alkalmazó nikkel-elektródás hidrogén-oxigén cellák alkalmazásával, költségelemezéssel bizonyította, hogy eljárása olcsóbb az 1889-ben kísérletező Langer-Mond-énál.
A Szputnyik 1957-es fellövése még inkább ösztönzőleg hatott a csúcstechnológia fejlesztésére. Általában is leszögezhető, hogy a technikai verseny látványos színtere az űrkutatás, a világűr meghódítása volt. A Gemini programban 1964 és 1966 között végrehajtott űrrepülések során a kétszemélyes űrkabin energiaellátását 2,1 kW teljesítményű, 28 V egyenfeszültséget előállító tüzelőanyag-cella biztosította. A tiszta hidrogén és oxigén üzemanyaggal működő cellák termelte vizet ásványisó-tablettákkal tették ihatóvá az űrhajósok számára. Az Apolló programban helyet kapott a tüzelőanyag-cella is, ahol alkalmazásukkal szintén a villamosenergia-ellátást, valamint ásványisó-tablettákkal az ivóvíz-ellátást is biztosították. Új elemként megjelent a tüzelőanyag-cellákban keletkező hő hasznosítása is az Apolló űrkabin hőegyensúlyának biztosításához.
A tüzelőanyag-cella ideálisnak mutatkoztak az űrkutatásban, tekintettel arra, hogy
nem tartalmazott mozgó alkatrészt,
érzéketlen a gravitációs hatásokra, a kozmikus sugárzásokra, a hőingadozásra,
megbízható, stabil,
üzemanyaga, a hidrogén és az oxigén egyébként is az űrhajó szállítmányában található,
kis tömegű, kiterjedésű,
nincs károsanyag-kibocsátása,
a keletkező hőt és vizet az űrhajósok használták fel.
Az űrhajókon a tüzelőanyag-cella állandóan alkalmazott, bevált alkatrésszé vált. Kidolgozták a sorozatgyártás technológiáját, csökkentették a gyártási költségeket, elindították a gyártást. A ′70-es évek olajválsága, majd a későbbi jövőről való gondolkozás úgy ítélte meg, hogy egy esetleges gazdasági összeomlás beláthatatlan folyamatainak megelőzésére, tervszerű elkerülésére olyan áthidaló befektetések támogatása szükséges, amelyek közép- és hosszútávon tartós eredményeket ígértek.
A kormány leállította a gigászi kiadásokat követelő űrkutatási projekteket. Az érdeklődés egy új koncepció kidolgozására irányult. A NASA mérnökei a következő generációs űreszköz, a jóval gazdaságosabb űrsikló megvalósítására készültek. Az amerikai járműipar a japán terjeszkedés visszaszorítására új fejlesztési filozófia kidolgozásával válaszolt. Megjelent a tüzelőanyag-cella a gépjárművek hajtásában.
Ma a tüzelőanyag-cella piaci igényeit a kis teljesítményű kategóriában a hordozható számítógépek és a mobiltelefonok határozzák meg. A közepes teljesítményű kategóriában a fő mozgatórugó az autóipar és egyre erőteljesebben a decentralizált energiatermelés. A nagy teljesítményű igények a hővel kapcsolt és a decentralizált energiatermelés területén mutatkoznak.
A jelenlegi helyzet
Napjainkra a tüzelőanyag-cellát vagy annak részegységeit előállító vállalkozások száma a világon több ezerre tehető. Az USA vonatkozó szervezete közel 1000, ezen a területen dolgozó céget sorol fel. Angliában mintegy 80 szakcég lelhető fel. Az Európai Ipari Tájékoztató 48 kereskedelmi forgalomban jelenleg beszerezhető tüzelőanyag-cellát ismertet. A széles választék áttekintésével napjainkban három nagy fejlődési területet figyelhetünk meg. Manapság kis, közepes és nagy teljesítményű tüzelőanyag-cellákat különböztetünk meg.
A kis teljesítményű tüzelőanyag-cellák néhány milliwattól néhány kilowatt teljesítményig terjedő sávot ölelnek fel, és elsősorban hordozható berendezések ellátására szolgálnak.
Jellemző alkalmazási célcsoportok:
mobiltelefonok előállítói és hordozható számítógépek,
hordozható szerszámok energiaellátása.
A közepes teljesítményű tüzelőanyag-cellák 1-100 kilowatt közötti nagyságrendű sávba sorolhatók, elsősorban az autóipari cégek igényei motiválják fejlesztésüket. Két nagy csoport figyelhető meg:
a Delphi-rendszer: Toyota, General Motors, Fiat, BMW,
a Ballard-rendszer: Honda, Volkswagen, Volvo, Ford, DaimlerChrysler.
Ebbe a csoportba tartoznak a dízelgenerátorokat kiváltó villamos energiatermelő egységek is. Új elemként itt jelentek meg a családi házakat, épületeket ellátó kombinált energiatermelő egységek is.
A nagy teljesítményű tüzelőanyag-cellák jellemzően 100 kilowatt feletti egységek, a decentralizált energiatermelésben vesznek részt. Többségében hőt és villamos energiát egyaránt előállító egységek sziget- vagy hálózatszinkron-üzemben. Ebben a csoportban jelentek meg a gázturbinával is kombinált energiafejlesztő egységek 1 MW feletti teljesítménnyel.
AFC A lúgos tüzelőanyag-cellák (Alkaline Fuel Cell) általában kálium-hidroxid (KOH) oldatot tartalmaznak. Nyomás alatt hidrogént bejuttatva, a folyamat közben oxigént felvéve rendezett égés valósul meg, és ennek eredményeként vízgőz keletkezik. Az AFC tüzelőanyag-cellák teljesítménye általában 100 W-tól 5 kW-ig terjed. Ezt az üzemanyag-típust használták az Apolló űrprogramhoz is. A ′60-as évekbeli élettartama mintegy 550 üzemóra volt. Napjainkra ez az érték több ezer órára nőtt, gyakorlatilag folyamatos üzemre emelkedett.
DMFC A DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) cellákban a hidrogén helyett metanolt használnak fűtőanyagként. Tekintettel a viszonylag alacsony, 20–100 °C közötti működési hőmérsékletre, széles körben használják járműipari fejlesztésekhez. A cellában közvetlenül metanolt vagy más folyékony szerves tüzelőanyagot egy polimer elektrolit membrán segítségével közvetlenül elektromos árammá alakítanak. Működése a tüzelőanyag híg vizes oldatának oxigénnel, illetve levegővel történő, közvetlen katalitikus oxidációján alapul. Szobahőmérsékleten is biztonságosan működik. Elektromos áramot, szén-dioxidot, vizet és hőt termel. A DMFC cellák fejlesztéséhez jelentősen hozzájárult a magyar származású, Nobel-díjas dr. Oláh György professzor. A hagyományos, hidrogénnel működő tüzelőanyag-cellának több hátránya is van. Amennyiben közvetlenül hidrogént használ fel az energiatermelésre, úgy problémát jelent a hidrogén elosztása és tárolása. Más tüzelőanyagok használata esetén pedig szükség van egy átalakítóra, amely ebből hidrogént állít elő. Szintén magas ezen cellák üzemi hőmérséklete. A DMFC ezeket a hátrányokat kiküszöböli, és ezért is alkalmas a hagyományos kémiai elemek és akkumulátorok kiváltására a kis teljesítményű készülékeknél.
MCFC Ezen ún. „szilárd savas” (Molten Carbonate Fuel Cell) tüzelőanyag-cellák az elmúlt évek fejlesztésének eredményei. Kísérleti példányaik MW nagyságrendűek. A fejlesztések több 10 MW egységteljesítmény elérésére irányulnak. Magas üzemi hőmérsékleten üzemelnek, ezért különböző szénhidrogén alapú tüzelőanyagok közvetlen felhasználására alkalmasak. Magas működési hőmérsékletük miatt előnyösek hő- és villamos energia kombinált szolgáltatására. A jelenlegi fejlesztések arra irányulnak, hogy minél hosszabb folyamatos üzemidőt sikerüljön megvalósítani, a kísérleti szériák példányai közül több egység meghaladta a 20 000 óra folyamatos üzemidőt. Tekintettel a típus igen kedvező hőhasznosítására és minimális károsanyag-kibocsátására, továbbfejlesztésén több nagy ipari-pénzügyi csoport dolgozik.
PAFC A foszforsav elektrolittal működő tüzelőanyag-cellák (Phosphoric Acid Fuel Cell) igen jó, 40-80%-os hatásfokkal működnek. Üzemi hőmérsékletük 100–200 °C. Jelenlegi egységteljesítményük 1-200 kW között mozog. 10 MW-os egységteljesítmény próbák alatt. Jelenleg az egyik legelterjedtebb típus. Egyes konkrét gyártmányok, energiaszolgáltató egységek 6 millió üzemóra feletti összes üzemidő-referenciával rendelkeznek. Folyamatos üzemnél kb. 4000 óránként igényelnek karbantartást.
PEM A PEM (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), proton cserélő membrános cellák jelenleg a legelterjedtebb tüzelőanyag-cella típusok. Első ipari példányai a Gemini űrhajók energiaellátását biztosították. 50–80 °C közötti üzemi hőmérsékleten működnek légköri nyomáson. Nyomás alatt 90–120 °C-on is képesek működni. Teljesítményük néhány milliwattól több kilowattig terjed. Ez a legolcsóbb tüzelőanyag-cellatípus, tekintettel polimer anyagú membránjára. A hidrogén tüzelőanyagban tárolt kémiai energiát közvetlenül villamos energiává alakítja át. A szilárd elektroliton (a membránon keresztül) áramolnak a pozitív töltésű hidrogénatomok (a protonok) a porózus anódtól a katódig. Az elektródok katalizátorrétegekkel csatlakoznak a polimer elektrolithez, ezek választják le a hidrogén tüzelőanyagból az elektronokat. Tekintettel arra, hogy a membrán csak a protonokat ereszti át, az elektronokat nem, ezért a külső áramkörön átjutnak a töltések a katódhoz. A katódon ezzel párhuzamosan, a levegő oxigénjének segítségével, víz képződik.
RFC A Regenerative Fuel Cell egy speciális, kombinált típus, amely napenergiával vízbontás útján oxigént és hidrogént állít elő. Ebből fejleszt cellájában villamos energiát és hőt, majd a melléktermékként keletkező vízgőzt lehűtve napenergiával újrakezdi a vízbontási folyamatot. Elsősorban szigetüzemben telepített alkalmazásoknál hasznosítják, nem ritkán nehezen megközelíthető helyeken is (hegycsúcs, világítótorony stb.).
SOFC A szilárd fémoxid tüzelőanyag-cellák (Solid Oxid Fuel Cell) magas, 500–1000 °C hőmérsékleten működnek. Egységteljesítményük általában 1-től 100 kW-ig terjed jelenleg. Viszonylagos bonyolultságuk ellenére jó hatásfokú lehetőséget kínálnak villamosenergia-termelésre. Többfajta tüzelőanyaggal üzemeltethetők. Széles teljesítménytartományban használhatók. A 10 MW-nál nagyobb egységeknél 60% feletti gyakorlati hatásfok is elérhető. Két alapvető típus fejlesztésén dolgoznak, ezek a lemezes vagy tárcsás típusok, illetve a csöves típusú megoldások. Mind Európában, mind az Egyesült Államokban nagy hagyományú villamos fejlesztő cégek dolgoznak azon, hogy 50 000 üzemóra feletti folyamatos rendelkezésre állást tudjanak biztosítani ezeknél a típusoknál is.
A tüzelőanyag-cellák felhasználása és műszaki-kereskedelmi versenytársaik
Alkalmazás
Teljesítmény
Cellatípus
Versenytársak
Felhasználásiterületek
Hordozható
mW–kW
DMFC PEMFC RFC
Napelemcellák Elemek Akkumulátorok
Mobiltelefon Notebook Rádió, TV Világítás
Mobil
1 kW–1 MW
AFC DMFC PEMFC SOFC MCFC
Diesel Benzin PB gáz Hidrogénhajtás Akkumulátoros és villamos hajtás
Személyautók Autóbuszok Kamionok Hajók Tengeralattjárók
Helyhez kötött Kis teljesítmény
1–10 kW
PEMFC SOFC RFC
Napelemek Szélgenerátorok Diesel- és benzingenerátorok
Családi házak ellátása Decentralizált energiatermelés UPS
