9. fejezet - Üzemanyagcellák történeti áttekintése

Az üzemanyagcella olyan energiaforrás, amely kémiai energiából elektromos áramot állít elő redoxi reakción keresztül. Az anódon hidrogéngáz oxidációja történik, melynek során az elektront ad le, amely külső áramkörön keresztül átjut a katódra, ezáltal elektromos áramot generál, elektromos munkát végez. Ezalatt a katódon redukció játszódik le, ahol oxigén, pozitív hidrogén ion és elektron egyesül, melyből víz lesz. Az üzemanyagként használt hidrogéngáz ionokra és elektronokra való bontását katalizátor végzi. Anód elektródának például platina, míg katódnak nikkel lehet használatos. A pozitívan töltött hidrogén ionok anódról katódra történő átjutását a két elektróda közti elektrolit biztosítja, mely csak az ionokat engedi át, az elektronokat nem.

Az elektródák anyaga működés közben nem fogy el, nem alakul át. A kémiai reakció mindaddig fenntartható, amíg az elektródákhoz a gáz vagy folyékony halmazállapotú üzemanyagokat hozzávezetik.

Az üzemanyag-cella alkalmazásának előnyei már a 60-as években, a NASA Apollo-programjának keretein belül megmutatkoztak:

Az üzemanyagcella működéséhez a hidrogén biztosítása kritikus, mivel az oxigén a légkörből bárhol elérhető.

A hidrogén gázt szénhidrogénekből gőz reformátorok segítségével állítják elő az iparban, mivel ez kb. 80%-os hatásfokkal működhet, ha tiszta szénhidrogént, pl. földgázt vagy metánt, használnak. Magas hőmérsékleten, kb. 700-1100°C, a vízgőz endotermikus módon reagál a metánnal, aminek eredménye szén-monoxid és hidrogén keletkezése. További reakción keresztül, az előző reakcióhoz képest alacsonyabb hőmérsékleten, kb. 130°C, a korábban keletkezett szén-monoxid vízgőzzel kerül reagáltatásra. Ennek az exoterm folyamatnak eredményeként további hidrogén állítható elő szén-dioxid kibocsátása mellett.

A hidrogén előállítási folyamatnak a kritikus pontja a reakció során keletkező szén-dioxid kezelése, ugyanis a szén-dioxid környezetbe történő kijuttatása indirekt módon, de megfosztaná a hidrogént használó járműveket a környezetkímélő besorolásától. Mivel a hidrogén előállítás gyárban történik, így elméletileg lehetőség van a szén-dioxid szeparálására, a szén-dioxid olaj- vagy gáztárolókba történő injektálására, de egyelőre ez a széntárolási eljárás nem terjedt el, folynak a kutatások ezen a téren.

Ezen okok miatt hidrogén helyett több kutató, mint például Oláh György és munkatársai, a metil-alkohol és származékainak energiahordozóként való előállítását és az üzemanyagcellákban való felhasználását kutatja. A biztonságos, folyékony halmazállapotú üzemanyag előnyei mellett alapvető előnyt képez az is, hogy metil-alkoholt (és származékait) szén-dioxidból is elő lehet állítani. A környezetvédelem szempontjából a szén-dioxid okozta üvegházhatású melegedés visszaszorítása világszerte hatalmas költségeket jelent. Többek között ez a tényező is a szén-dioxid alapanyagként való felhasználásának lehetőségét helyezi előtérbe.

Az üzemanyag-cellák tárgyalásánál fontosnak tartom megemlíteni a Kaliforniában élő, a Loker Hydrocarbon Research Institute, University of Southern-en dolgozó Oláh György Nobel-díjas professzort, aki 1994-ben Nobel-díjat kapott a karbon-kémiai kutatásaiban elért eredményeiért. Oláh György a metanolos üzemanyag-cellák fejlesztésével foglalkozik. Az üzemanyagot, a metanolt a földgázból nyerik ki.

9.1. ábra - Oláh György

Az üzemanyagcelláknak számos fajtája van, típusaik és azok fontosabb tulajdonságaik láthatóak az 1. táblázatban. Az összefoglaló táblázatból jól látható, hogy a különböző típusú üzemanyagcellák más és más felhasználási területre alkalmasak. A felhasználási területet nagyban befolyásolja az üzemanyagcellák üzemi hőmérséklete. A magasabb üzemi hőmérsékletet a melléktermékként keletkező vízgőz esetleges megfagyásának megakadályozására is fel lehet használni.

A járműiparban elsősorban a protonáteresztő membrános üzemanyagcella használatos, annak számos pozitív tulajdonságai miatt. Hozzávetőleg 80°C üzemi hőmérsékletet igényel, gyorsan működő állapotba hozható, kompakt és jóval könnyebb, mint a hasonló, például szilárd oxidos cellatípus. A protoncsere membrános cellatípussal az elérhető hatásfok 40-60% közé tehető.

Ezek a pozitív tulajdonságai teszik a protonáteresztő membrános cellatípust potenciális jelöltnek járműipari felhasználásban.

9.2. ábra - Üzemanyagcella-típusok

9.3.1. A protoncsere membrános (PEM) típusú üzemanyagcella működése

A PEM típusú üzemanyagcella elsődleges felhasználási területe a járműipar, de a közép- és nagy villamos teljesítményt igénylő rendszerekben, berendezésekben is sikerrel alkalmazható. Üzemi hőmérséklete alacsonynak mondható, hatásfoka pedig az egyik legnagyobb a többi üzemanyagcellához hasonlítva.

9.3. ábra - Protonáteresztő membránú üzemanyagcella elvi felépítése

A külső házon (3) beérkező hidrogén a katalizátor (1) hatására megválik az elektronjától, ami a PEM (3) elektronátjutást gátló hatása miatt csak külső terhelésen keresztül (5) juthat az anódról (1) a katódra (2), vezetéken keresztül. Az ilyen mód elektronjától megvált pozitív töltésű hidrogénion a szilárd elektrolit membránon (3) keresztül a katód felé halad. A katód oldalon lévő katalizátor egyesíti a hidrogéniont elektronnal és az itt beáramló oxigén molekulákkal. Ezen egyesülési folyamat eredményeképpen hő és vízgőz képződik. Az anódot és a katódot az áramló közegektől egy porózus szerkezetű, gáz áteresztésére alkalmas, kapillárisokkal ellátott anyag, például műanyag választja el (6). A katalizátor speciális papír vagy textil, amit finom platinaporral kezelnek. A protonáteresztő membrán egy speciális polimer.

Az üzemanyagcellában végbemenő reakciók az alábbi képletekkel írhatók le:

Anód reakció: 2H2 → 4H+ + 4e-Katód reakció: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2OTeljes cella reakció: 2H2 + O2 → 2H2O

Az üzemanyagcella 1,16V-ot állít elő, amely közel sem elég egy jármű meghajtására, így ezeket a cellákat sorosan és párhuzamosan kapcsolva cellatelepeket alakítanak ki a nagyobb teljesítmény elérése érdekében.

9.3.1.1. A PEM típusú üzemanyagcellák alkalmazási területei

Az üzemanyagcella a tudomány és technológia fejlődésével egyre szélesebb körben alkalmazott energiatermelő egységgé vált. Miután az űrkutatás, űrhajózás területén alapvető, jól bevált berendezéssé nőtte ki magát, egyre inkább kezd megjelenni a mindennapjaink területén.

Legfontosabb alkalmazási terület a környezetvédelem szempontjából a járműipar, de elterjedt felhasználása hordozható és helyhez kötött energiatermelésben is. Az üzemanyagcellák használatának számos előnye van környezetterhelés-csökkentés szempontjából:

• néma működés

• melléktermékként nincsenek üvegházhatást eredményező gázok, csak víz

• ha a hidrogén előállítása olyan elektrolízis során történik, ahol az áramot megújuló energiaforrásból nyerik, a teljes energia előállítási ciklusról elmondható, hogy nem terheli a környezetet

• az üzemanyagcellák használata csökkentik a függőséget az olajipari cégektől

• a hidrogén és az oxigén előállítása elméletileg kihelyezett telepeken is történhet, így nem szükséges a központi hálózati alapú energiatermelés, ami elősegíti a gyorsan változó igényekhez történő alkalmazkodást

• az alacsony működési hőmérséklet ideálissá teszi az üzemanyagcellákat katonai felhasználásra

• az üzemanyagcellák karbantartása egyszerű, mivel alig van bennük mozgó alkatrész

9.3.1.2. Üzemanyagcella járműipari vonatkozásai

A fejlesztésben mindig is élenjáró japánok bemutatták a világ első, sorozatban gyártott, üzemanyag-cellás személygépjárművet, a Honda FCX-V4-et. A jármű utazási hatótávolságát a padló alá épített nagy, 350 bar üzemi nyomású tartályokban tárolt hidrogén mennyisége határozza meg. A Ballard cég által gyártott, 78 kW-os üzemanyagcella működését biztosító másik komponenst, az oxigént a levegőből hasznosítják. A gépjárművet meghajtó elektromotor és a villamos energiát biztosító üzemanyagcella között helyezkedik el a Honda által kifejlesztett ultra áramsűrítő, amely az egyéb villamos fogyasztók mellett a hajtómotor által igényelt azonnali, nagy villamos teljesítményt biztosítja, továbbá a fékezéskor visszatermelődő energiát tárolja.

9.4. ábra - Honda FCX-V4

A Ballard cég a Mercedes támogatásával élen jár a hidrogénüzemű üzemanyagcella gyártásában és fejlesztésében. Az együttműködésnek köszönhetően már 1993 júniusa óta tesztelik a Ballard-Mercedes buszt, és 1994 óta az első személygépjárműveket, közöttük az A-Mercedes üzemanyag-cellás prototípusait is.

9.5. ábra - A Ballard-Mercedes busz

9.6. ábra - Az A-Mercedes

A NECAR 4-ben folyékony hidrogén az üzemanyaga a PEMFC típusú üzemanyagcelláknak, amelyek egy elektromos motort táplálnak villamos energiával. Az évről évre történő fejlesztéseknek köszönhetően ma már elérték, hogy ugyanúgy, mint a belső égésű motorral rendelkező széria kivitelnél, ennél is megmaradjon a lehetőség öt személy szállítására.

9.3.1.3. Példák nem járműipari alkalmazásokra

Az üzemanyag-cellák alkalmazására számtalan példát lehetne felsorolni. A vele előállított elektromos árammal táplálhatunk szinte bármilyen villamos fogyasztót és mivel nem tartalmaz mozgó alkatrészt, így a fenntartása is minimális.

9.7. ábra - A NEC cég direkt metanol meghajtású üzemanyagcellája

9.8. ábra - 100 wattos, mobilis, Ballard által gyártott üzemanyagcella egy televíziót üzemeltet

Ha figyelembe vesszük azt a lehetőséget, hogy az atom-, nap-, szél-, hullám-, árapály-, biomassza-, és vízenergia segítségével állítanánk elő a hidrogént, akkor ez az üzemanyag-cella elterjedésének fokozott gyorsaságát idézhetné elő.

9.9. ábra - A Ballard cég 250 kilowattos üzemanyagcellás erőműve kísérleti üzemben

9.10. ábra - Fraunhofer Intézet mikro-üzemanyagcellája egy notebookot lát el energiával

A fenti képen jól látható, hogy ennél a kivitelnél csak a hidrogént kell pótolni, amit a kis kapszula tartalmaz. Az energiatermeléshez szükséges másik komponenst, az oxigént a levegőből hasznosítja a berendezés.

9.3.2. A direkt metanolos üzemanyagcella (DMFC) működése

A DMFC típusú cella elterjedési gyakorisága miatt fontos megismerni ennek a típusnak is a működését. Az anódtérbe vezetik a metanol 3%-os vizes oldatát és egyidejűleg oxigént (vagy levegőt) táplálnak a katódtérbe. A platina/ruténium katalizátor felületén (1) a metanol víz jelenlétében szén-dioxiddá alakul. Az átalakulás folyamata alatt az így felszabadított elektronok az áramszedő lemez (4) felé áramlanak. A polimer elektrolit típusú membrán (3) elektronszigetelő anyag, amely az elektronoknak a katódtérbe való áramlását akadályozza meg. A felszabadult elektronok a fémlemezen keresztül a külső áramkörbe kerülnek. Ez idő alatt a protonok a polimer elektrolit membránon keresztül a katódtérhez haladnak. A katódtérben (2) a platina katalizátorral érintkezésben lévő protonok, az oxigén és az elektronok egyesülnek. Az elméleti hatásfok ennél a típusú üzemanyagcellánál körülbelül 30%, a gyakorlati hatásfok pedig körülbelül 26%.

9.11. ábra - DMFC üzemanyagcella elvi felépítése

A DMCF üzemanyagcellák nem rendelkeznek elég nagy teljesítménysűrűséggel ahhoz, hogy járműveket hajtsanak meg, viszont hosszútávon képesek energiát szolgáltatni kis teljesítményigényű fogyasztóknak. Így potenciális alkalmazási terület lehet a DMFC cellák mobiltelefonokban, számítógépekben és kamerákban, fényképezőkben való felhasználása.

9.12. ábra - DMFC cella használata laptopban

9.13. ábra - DMFC cella használata mobiltelefonban

9.14. ábra - DMFC típusú üzemanyagcella

A kutatások jelenleg is folynak az üzemanyagcellák tökéletesítése érdekében. Sokféle alkalmazásban bebizonyosodott, hogy sikerrel helyettesítik az üzemanyagcellák az eddig megszokott energiaforrásokat, viszont kereskedelmi forgalomban nem tudnak addig teret nyerni, ameddig nem megoldott a:

• méret és tömegcsökkenés, ugyanakkora teljesítmény és energia mellett, amely maga után vonja így a jobb hatásfokot

• cellatelep gyártási költségek csökkenése

• cella gyorsabb beindulása és gyorsabb válasza a dinamikusan változó erőforrás-szükségletekre

• megbízhatóság és tartósság kiterjesztése extrém környezeti feltételekre

• a hidrogén előállítási folyamat hatásfokának növelése