Üzemanyagcella
Mi az üzemanyagcella?
A háztartási rendszer felépítése
Üzemanyagcellák típusai
Használatuk előnyei
Társadalmi-technikai környezet
Az üzemanyagcellák története
Egyéb felhasználási területek
üzemanyagcella
fuel cell
Brennstoffzell
celdas de combustible
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.
a kép forrása: www.newmango.com
Az üzemanyagcella alatt egy dinamikusan fejlődő iparág céltermékét, olyan készüléket vagy berendezést kell érteni, amely bizonyos éghető anyagokat és oxidáló anyagokat olyan módon reagáltat, amely folyamat eredményeképpen a készülék (berendezés) belső felületein elektromos feszültség-különbség lép fel, valamint hő és égéstermék keletkezik. A figyelem az elektromos feszültségen, és áramkörbe építés esetén a villamos áramon és teljesítményen van.
A fejlesztések alapelve, hogy a technológia használatával semmilyen káros anyag nem keletkezik. Az energiatermelés nyersanyagaként használt gázok (leginkább hidrogén) teljes egészében elég, csak víz és széndioxid képződik.
Ha üzemanyag celláról hallunk, leggyakrabban az autóipar legkorszerűbb fejlesztései kapcsán hallhatunk. Azok az előnyök, amelyeket az energiatermelés és felhasználás más területein az energia cella kínál, elsősorban modellezés és kísérleti berendezések szintjén valósult meg. Az igazi áttörés a következő évtizedben várható.
Fűtési célra alkalmazható berendezéseket már kifejlesztették, de csak kísérleti céllal valósultak meg, és jelenleg is csak kísérleti céllal üzemelnek.
A különböző üzemanyagcella típusok előnyei révén a felhasználás különböző területein hódítanak teret, a folyamatos fejlesztés által egyre inkább specializálódnak.
A táblázat az üzemanyagcella technológiájának fejlődését vetíti előre, ahogy csökken az egységre jutó gyártási költség, vele együtt növekszik a hatásfok, és terjed el egyre szélesebb körben ez a hasznos berendezés.
A berendezésnek csak egy építőköve az üzemanyagcella: Ahhoz, hogy az üzemanyagcellát munkára fogjuk, ki kell alakítani a berendezést, amely a készülék működéséhez szükséges feltételeket biztosítja, valamint a készülék által kibocsátott hő és villamos energiát a szükséges formára átalakítja, a keletkezett égéstermékeket elvezeti. A szerkezet működését elektronikus vezérlőberendezés felügyeli, a benne zajló folyamatokat szabályozza, és az esetleges hibás működés esetén lekapcsol vagy jelez. A berendezés által termelt hőenergia és áram főként a háztartásban kerül felhasználásra. Lehetséges a háztartásban fel nem használt villamos energia értékesítése a villamos hálózat felé, de ehhez a fogyasztói villamos csatlakozási helyet a visszatermelés átadására és mérésére alkalmas módon kell kialakítani.
Az üzemanyagcellák működését biztosító egységen kívül szükség van a fűtési rendszerben hőtárolóra és kiegészítő fűtésre is.
a kép forrása: www.vaillant.de
A Vaillant cég üzemanyagcellákon alapuló lakásfűtési és házi áramtermelő rendszerének sémája, mely kogenerációval termel áramot és hőt.
a képek forrása: www.vaillant.de
| Üzemanyagcella típusa | Elektrolit | Működési hőmérséklet | Elektromos hatásfok | Üzemanyag | Felhasználási terület |
| AFC alkáli elektrolitos cella |
30% kálium-hidroxid oldat, gél |
80 oC | elméleti: 70% gyakorlati: 62% |
- tiszta H2 - O2 |
- járműipar - hadiipar |
| PEMFC membránú cella |
protonáteresztő membrán | 80 oC | elméleti: 68% gyakorlati: 50% |
- tiszta H2 - O2 - levegő |
- blokkfűtő erőmű - járműipar - hadiipar |
| DMFC direkt metanol membrán |
protonáteresztő membrán | 80 oC-130 oC | elméleti: 30% gyakorlati: 26% |
- metanol, - O2 - levegő |
- mobiltelefon - laptop, stb. áramforrása |
| PAFC foszforsavas cella |
tömény foszforsav | 200 oC | elméleti: 65% gyakorlati: 60% |
- tiszta H2 - O2 - levegő |
- blokkfűtő erőmű - áramforrás |
| MCFC alkáli-karbonátsó cella |
lítium-karbonát, kálium-karbonát |
650 oC | elméleti: 65% gyakorlati: 62% |
- H2 - földgáz - széngáz - biogáz - levegő - O2 |
- gőzturbinás, kétlépcsős blokkfűtő erőmű - áramforrás |
| SOFC oxidkerámia cella |
yttrium-cirkon oxidkerámia | 800 oC- 1000 oC | elméleti: 65% gyakorlati: 62% |
- H2 - földgáz - széngáz - biogáz - levegő - O2 |
gőzturbinás, kétlépcsős blokkfűtő erőmű -áramforrás |
A Vaillant cég számításai szerint egy átlagos társasházi lakás energia- és hőszükségletének kielégítésénél a hagyományos fosszilis erőmű (áramtermelés) és az olaj, vagy gáz központi fűtés (hőtermelés) kombinációnál 26%-kal kevesebb primérenergia-felhasználás és 47%-kal kisebb széndioxid-kibocsátás lép fel a kogenerációs elven működő üzemanyagcellás fűtőberendezés segítségével.
30 MWh/a éves elektromos energiaigény
70 MWh/a éves hőszükséglet esetén:
fosszilis erőmű:
η=0,4
0,325 kg CO2/kWhbr
üzemanyagcellás kogeneráció:
η=0,8 ηel=0,4
0,198 kg CO2/kWhgáz
A villamos energia jelenleg a legtisztább, legsokrétűbben alkalmazható, legértékesebb energia, amelyet az élet minden területén használunk. A technikai fejlődés során a villamos energia felhasználása, valamint a villamos energia termelés hatékonysága egyre növekszik. A technikai fejlődés viszont a komfortos életkörülmények biztosítása érdekében a környezet jelentős károsodását, az energiahordozó tartalékok rohamos csökkenését, valamint az ipari területeken (illetve a környezetszennyezés sújtotta vidékeken) élők egészségének károsodását, életkilátásaik romlását, egzisztenciájuk veszélyeztetését eredményezte világszerte.
A káros következmények folyamatosan gerjesztettek olyan törekvéseket tudósokban, politikusokban tőkésekben, civil szervezetekben, és mozgalmakban, hogy nyomást gyakoroljanak a hatóságokra, az ipari termelőkre, hogy változtassanak az alkalmazott eljárásokon, technológiákon, és egyes technológiák megszüntetését, valamint hasznosabb technológiák alkalmazását szorgalmazzák.
Gyakran a környezetvédelmi törekvések összekapcsolódtak, összefonódtak politikai vagy egyéb társadalmi illetve rétegérdekekkel, akár divatokkal is. Főleg a nyugat-európai és amerikai közvéleményt hozza izgalomba az atomhulladék elhelyezés, a szlovák-osztrák atomerőmű vita, anti-globalizációs megmozdulások, Greenpeace, bálnavadászat.
A másik oldalon az ipari termelők, a technikai fejlődést (kutatásokat, újításokat, szabadalmakat) tárgyiasító multinacionális vállalatcsoportok a "jövő technológiáinak letéteményesei"-ként kutatják, fejlesztik, megvalósítják és piacosítják a környezetvédelmi szempontból előnyös technológiákat.
A hatóságok, kormányok, regionális és világszervezetek is előnyben részesítik, illetve előírják a környezetkímélő technológiák alkalmazását, szankcionálják a környezetszennyezéseket, valamint nemzetközi egyezményekben hangolják össze törekvéseiket.
A jövőkutatással foglalkozó nemzeti és nemzetközi intézmények a technikai-társadalmi folyamatok vizsgálatánál számos feltételt állítanak fel a "fenntartható fejlődés" elérése céljából. Sajnos a környezetromlás jelenleg is növekszik, még nem sikerült a növekedést megállítani, illetve a csökkenést elérni. Viszont a környezetkímélő technológiák sokfélesége és részaránya folyamatosan növekszik, létrejött egy viszonylag stabil finanszírozási háttér, és kialakult egy környezetvédelmi piac, illetve üzlet. Az üzemanyag cella kutatás-fejlesztés és gyártás része ennek a környezetvédelmi és "jövőtechnológia" piacnak.
1889-ben két kutató, Charles Langer és Ludwig Mond végzett sikeres kísérleteket levegő és széngáz üzemű cellákkal. Németországban Werner von Siemens foglalkozott az általa "hideg égetés"-nek nevezett elektrokémiai eljárással (hidrogén-oxigén cellák), amelyet főleg tengeralattjárók energiaellátásának biztosítására kívánt hasznosítani.
Langer és Mond eljárását Francis Bacon fejlesztette tovább, aki 1932-ben alkáli elektrolitos nikkel-elektródás hidrogén-oxigén cellák alkalmazásával, költségelemzéssel bizonyította, hogy eljárása olcsóbb a Langer-Mond eljárásnál. 1959-ben Bacon vállalata 5 kW-os teljesítményű berendezést, és abban az évben Harry Karl Ihrig egy 20 lóerős üzemanyag cella hajtású traktort mutatott be.
A második világháború után a NASA kutatóintézeteiben addig elképzelhetetlen mértékű költségvetési támogatással dolgozták ki az Egyesült Államok birtokába került szabadalmakat, a háborúban zsákmányolt technikai berendezések és kísérleti eredmények alkalmazásával. Céljuk a Szovjetúnióval szembeni technikai fölény megtartása és növelése volt. A Szputnyik 1957-es fellövése még inkább ösztönzőleg hatott a csúcstechnológia fejlesztésére. A technikai verseny látványos színtere az űrkutatás, a világűr birtokbavétele volt. Az Apolló programban helyet kapott az üzemanyag cella is, mivel:
- nem tartalmazott mozgó alkatrészt,
- érzéketlen a gravitációs hatásokra,
- érzéketlen a kozmikus sugárzásokra,
- érzéketlen a hőingadozásra,
- megbízható, stabil,
- üzemanyaga, a hidrogén és oxigén egyébként is az űrhajó szállítmányában található,
- kis tömegű, kiterjedésű,
- nincs károsanyag kibocsátása.
A 70-es évek végén az olajválság a járműiparban forradalmi változásokat indukált.
Az emelkedő üzemanyagárak a társadalom széles rétegeinek egzisztenciális érdekeit érintették hátrányosan. A személyautó piacon a nagy tömegű, nagy légellenállású, nagyteljesítményű és nagy fogyasztású korszerűtlen motorral szerelt gépkocsik leértékelődtek. Az amerikai autópiacon már jelenlévő európai márkák egyre nagyobb teret foglaltak, és megjelent a félelmetes japán autó. A japán autók kicsi, csúnya lélekvesztők voltak, viszont alacsony áruk, kis fogyasztásuk, és jól kialakítot szervizhálózatuk a középosztály számára a vonzó
A családi kasszát nem fenyegette a magas fenntartási költség, a Japánok meggyúrták az autópiacot. Sőt, egyre több szolgáltató, haszonjárműveket használó cég is japán autó mellett döntött. A nagy autógyártó vállalatok előtt a piacvesztés, csőd rémképe jelent meg.
A válság azonban nem állt meg itt. A politikusok, tőkések, tudósok még emlékeztek a 30-as évek világválságára, a pénzvilág a gazdasági összeomlás beláthatatlan folyamatainak megelőzésére, tervszerű elkerülésére készült, ezért olyan áthidaló befektetéseket támogattak, amelyek közép- és hosszútávon tartós eredményeket ígértek. A kormány leállította a gigászi kiadásokat követelő űrkutatási projekteket. A projektek vezetői úgy ítélték, hogy az alapkutatások lemaradtak az űrutazások biztonságos és költség-hatékony folytatásához szükséges műszaki színvonal igényéhez képest. Az érdeklődés egy új koncepció kidolgozására irányult. A NASA mérnökei a következő generációs űreszköz, az űrsikló megvalósítására készültek. Az űrsikló, mint sokszor indítható jármű olcsóbb lett, a fedélzeti eszközök az eldobható kategóriából a tartós berendezések kategóriájába kerültek át.
Az amerikai járműipar a japán veszedelem visszaszorítására új fejlesztési filozófia kidolgozásával válaszolt. A méltó versenytárs a könnyű, szilárd, áramvonalas, mégis tágas karosszériával, növelt kényelem és biztonság mellett, a forradalmian új hajtásrendszerrel ellátott személygépkocsi lett.
A hajtási rendszert három területen vették kezelésbe:
különböző generációinál észrevehető,
hogyan váltak a cellák egyre kisebbé.
Közlekedési szempontból jelentős különbség van a városi és országúti gépkocsi
használat között. A városi forgalomban gyakori a fékezés, megállás, gyorsítás,
de a sebesség átlagosan alacsony, ezért a gépkocsi motorok ereje gyorsításra van
kihasználva. Egy könnyen kapcsolható, vagy automata sebességváltó jól alkalmazott
áttételekkel viszonylag kis motorteljesítményt vesz igénybe. Viszont szükséges is,
hogy a városi forgalomban közlekedő autó motorja kis teljesítménnyel és gazdaságosan
működjön, mert ezáltal lesz alacsony a károsanyag kibocsátás.
Az országúti forgalomban gyakorlatilag direkt sebességfokozatban a motor
teljesítményének szinte teljes kihasználásával dolgozik, és ebben az állapotában
kell biztosítani az alacsony károsanyag kibocsátást. Erre a feladatra gyakorlatilag
a két motorral (városi és országúti) szerelt gépkocsi a korrekt megoldás.
Ezt valósítja meg a hibrid hajtás, ahol a gépkocsiban egy hagyományos motor
mellett egy villamos hajtás is be van építve. A villamos hajtás hátránya a nagy
tömegű, rossz hatásfokú akkumulátor. Ennek az elemnek a helyettesítésére kezdtek
alkalmazni üzemanyagcellát. Ez több szempontból is hatásosabb volt:
- belsőégésű motor
- erőátvitel
- elektromos motor
- vezérlő elektronika
- üzemanyag-tartály
- Ni-MH akkumulátor
Az üzemanyag cellát ma már széles körben alkalmazzák villamos energia előállításra a mobiltelefontól a városi villamosműig. Áramforrásként, olyan helyen ahol az elemet, akkumulátort, vagy áramfejlesztőt helyettesít, de hő- és áramtermelő berendezésekben is, ahol a villamoshálózatra termeli az áramot.
Az NEC cég direkt metanol meghajtású üzemanyagcellája, nanoméretű szén anyagú csövekból készült elektrolittal
2.kép:
100 wattos hordozható BALLARD üzemanyagcella egy televíziót üzemeltet
3.kép:
A Ballard cég kétszázötven kilowattos erőműve kísérleti üzemben, Berlinben
4.kép:
A Fraunhofer Intézet mikro-üzemanyagcellája egy laptopot hajt
Ballard Fuel Cells
A legtöbb üzemanyagcellás autóhoz a Ballard cég gyárt cellákat. Ezenkívül foglalkoznak még hordozható tápegységekkel és ipari méretű erőművekkel.
Fuel Cell Energy
Ipari méretű üzemanyagcellák gyártójának honlapja.
The Online Fuel Cell Information Center
Az üzemanyagcellák iránt érdeklődőknek jó kiindulási pont. Leírják működését, alkalmazási területeit, annak előnyeit.Találhatunk itt képgalériát, forrásgyűjteményt tanároknak és diákoknak, kategorizált linkgyűjteményt, híreket, újdonságokat.Letölthetünk lenyűgözően részletes összehasonlító táblázatokat is.
Zielinski Balázs gépészmérnök
Jároli József
2002.07.01.
Független Ökológiai Központ
www.foek.hu
Környezetkímélőbb Építés Adatbázisa
www.foek.hu/korkep/