VISSZA

Üzemanyagcella

 
 
Mi az üzemanyagcella?
A háztartási rendszer felépítése
Üzemanyagcellák típusai
Használatuk előnyei
Társadalmi-technikai környezet
Az üzemanyagcellák története
Egyéb felhasználási területek
 
Független Ökológiai Központ Környezetkímélőbb Építés Adatbázisa
 
magyarul üzemanyagcella
angolul fuel cell
németül Brennstoffzell
spanyolul celdas de combustible
Mi az üzemanyagcella?
 
Az üzemanyagcella működési sémája
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 elektrmos 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) tartalmzó rendszerek képesek felhasználni bármely szénhidrogén tüzelőanyagot, a földgáztól kezdve a metanolon át a gázolajig.
  • Inverter közbeiktatásával váltóáramot is hozhatunk létre (lásd a fenti ábrát).
  • Mivel az üzemanyagcella nem égésen alapul, hanem elektrokémiai reakción, az emissziója mindig jóval kisebb lesz, mint a legtisztább égési folyamatoknak.
  • 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.

    Az üzemanyagcella fejlődésének diagramja  
    A háztartási rendszer felépítése
     
    VISSZA

    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
     

     
    A Vaillant cég üzemanyagcellákon alapuló lakásfűtési és házi áramtermelő rendszerének sémája, mely kogenerációval termel áramot és hőt.

    a képek forrása: www.vaillant.de

     
    Üzemanyagcellák típusai
     
    VISSZA
    Az üzemanyagcelláknak számos fajtája van, melyeket a bennük használt elekrtolit alapján csoportosítunk:

    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
     

    Az üzemanyagcella előnyei

    VISSZA
  • Földgáz tüzelőanyag esetén az alacsony emisszió és nagyobb hatékonyság:
    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.
     
  • A jövőbeli üzemanyagcellás rendszerek további előnye, hogy az üzemanyagátalakító (reformer) kialakításától és a cellákban alkalmazott elektrolittól függően lehetővé válik megújuló energiák felhasználása.
     
  • 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
    Az üzemanyagcella társadalmi-technikai környezete:

    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.  
     
    VISSZA
    Az üzemanyagcella története
     
    VISSZA
    A walesi születésű Sir William Growe (1811-1896) oxfordi végzettségű fizikus 1839-ben az elektrolízis vizsgálatánál elektromosságot alkalmazva igazolta, hogy annak folyamata visszafordítható. A kísérletében az elektródák környezetébe egyik oldalról hidrogén tartalmú oldatot, másik oldalon oxigén tartalmú oldatot vezetett, az elektródák között felépülő feszültséget mérte. A kezdetben "gas battery"-nek nevezett kísérleti berendezést később "fuel cell"-nek nevezték. Growe az üzemanyag cellával kapcsolatos kutatásaival a gőzgépnek akart versenytársat teremteni, életében sajnos kevés eredménnyel.
    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.
    Az űrhajókon az üzemanyag cella állandóan alkalmazott, bevált alkatrésszé vált. Kidolgozták sorozatgyártás technológiáját, csökkentették a gyártási költségeket, elindították a gyártást. A NASA mellett működő másodlagos kutatásra és alkalmazásra szakosodott vállalatok kutatói már keresték a sorozatgyártásból piacra kerülő berendezések felhasználási lehetőségeit.
     
    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
  • feleség-autó
  • bevásárlóautó
  • diák-autó kategóriák elérhetőségét tette lehetővé.
    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:
  • motorfejlesztés ( elektronikus gyújtás, injektor, hengerenként 4 szelep, fedélzeti számítógépes vezérlés és regisztráció, diagnosztika )
  • sebességváltómű feljesztés, illetve áttérés a fronthajtásra,
  • új üzemanyagok és hibridhajtások alkalmazása.
     
  • A NECAR üzemanyagcellás autók
    különböző generációinál észrevehető,
    hogyan váltak a cellák egyre kisebbé.
    forrás:DaimlerChrysler

     

     
    A járműipar fejlesztőmérnökei a jármű hajtóanyagként világszerte elterjedt benzin és gázolaj felhasználást a kőolajkészletek rohamos fogyása miatt mulandó berendezkedésként kezelik, és folyamatosan kutatják és fejlesztik a megújuló energiaforrásokra támaszkodó üzemanyag ellátás és járműhajtás megoldásait.

    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:

  • kisebb tömegű, kiterjedésű ,
  • többszörös hatásfokú, az akkumulátoros hajtás 25% -os hatásfoka helyett 60%,
  • a külső hatásokra (gyorsulás, hőfok ingadozás) érzéketlen,
  • rendkívül alacsony károsanyag kibocsátás.  
     
  • hibridhajtású autó akkumulátorokkal:
     
    1. belsőégésű motor
    2. erőátvitel
    3. elektromos motor
    4. vezérlő elektronika
    5. üzemanyag-tartály
    6. Ni-MH akkumulátor
     
    Egyéb felhasználási területek
     
    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.
     
    VISSZA  
     
    1.kép:
    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
    Üzemanyagcellákkal kapcsolatos linkek:

    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.


    VISSZA
     
    készítette:
    Zielinski Balázs gépészmérnök
    Jároli József
    2002.07.01.  

    Független Ökológiai Központ
    www.foek.hu
    Környezetkímélőbb Építés Adatbázisa
    www.foek.hu/korkep/