Természet Világa, 2000. szeptember
WOLFNER ANDRÁS
Tüzelôanyag-cellák lakások és kórházak áramellátására

A gépkocsik és autóbuszok meghajtására alkalmas típusok után most a nagyobb, egy-egy lakás, avagy akár egy épület áramellátására alkalmas tüzelôanyag-cellák kifejlesztésén dolgoznak a kutatók. A környezetvédelmi szempontok növekvô fontossága ösztönzôen hat a tüzelôanyag-cellák fejlesztésére, mind a jármûvek, mind az épületek számára. E cellák legfontosabb elônye, hogy hidrogén oxidációjával közvetlenül, tisztán, szennyezô melléktermékek nélkül egyenáramot állítanak elô úgy, hogy csak víz, hô, és – ha a hidrogén szénhidrogénekben van – szén-dioxid keletkezik. Vannak azonban mûszaki elônyeik is, mint a hagyományos erômûvekénél jobb hatásfokuk. A megvalósíthatóság akadályai szerencsére inkább gazdaságiak, mint mûszakiak.

~~~

Bár a tüzelôanyag-cellát 160 évvel ezelôtt (pontosabban 1839-ben) találta fel William Grove, az ügyvédbôl lett angol fizikus, alkalmazása magas ára miatt a legutóbbi idôkig a katonai és ûrfelhasználásokra korlátozódott, jobbára ûrrepülôgépek és tengeralattjárók üzemanyag-ellátására. Az üzemanyagcellás áramtermelô (a jelenlegiek teljesítményei miatt talán indokolatlan az "erômû" megnevezés) egyedi cellák összekapcsolt csoportjából, vagy csoportjaiból áll (1. ábra). Ezek rendszerint tartalmazzák a tüzelôanyag-feldolgozó (reformáló) részt, amely hidrogént nyer olyan hagyományos tüzelôanyagokból, mint a földgáz, de arra is lehetôség van, hogy egy tartályból hidrogént vezessenek be. Mivel a cellák egyenáramot termelnek, feltétlenül szükség van áramátalakítóra (inverterre) is a váltakozó áram elôállításához.

1. ábra. Az American Power Co. lakások áramellátására kifejlesztett típusának elvi vázlata. A cella földgázzal, vagy propánnal müködik, teljesítménye 3 kW (20 voltos váltakozó árammal). Akkumulátoraival 10 kW csúcsteljesítmény leadására képes. Tesztelését 1999-ben kezdték húsz helyen. A prototípus két protoncserélô, membrános (PEM) tüzelôanyag-cella csoportból áll, melyek mindegyike 1,75 kW-ot tud leadni. Tartalmaz még egy 5 kW os egyen-váltakozó áramú átalakítót (invertert) 10 kW os csúcskapacitással és a terhelés kiegyensúlyozására nyolc ólomakkumulátort. Látható, hogy a többi komponens mellett maga a fûtôanyagcella milyen kicsi.




A tüzelôanyag-cellás rendszer elônye nemcsak az, hogy lényegében nem bocsát ki szennyezô anyagokat, hanem a hatásfoka is a kétszerese lehet egy hagyományos hôerômûének (2. ábra). Mi több, a hatásfok független a terheléstôl, míg a hagyományos hôerômûvek az optimális hatásfokot a csúcsterhelésnél érik el. Másrészt míg egy erômû jellemzô beruházási költsége az Egyesült Államokban 500-1500 USD/kW, a jelenleg kereskedelmi forgalomban lévô tüzelôanyag-cellákra ez az érték 3000 USD/kW (a mobilokra még jóval magasabb). Ez a magas költség csak bizonyos esetekben teheti indokolttá a tüzelôanyag-cellák használatát, ahol különleges megbízhatóság szükséges (például katonai védelmi berendezések, kórházak). Ehhez hasonló alkalmazás még kevés van, de számuk növekszik.


2. ábra. Elektromosáram-termelés hatásfoka és kapacitása közti összefüggés a különféle rendszereknél. A tüzelôanyag-cellák a tüzelôanyag kémiai energiájának nagy részét elektromos árammá alakítják. Bizonyos cellatípusok hatásfoka a hulladékhô hasznosítása nélkül is elérheti a 65%-ot, gázturbinával kombinálva még többet. A jelenlegi tüzelôanyag-cellás rendszerek legjobbjai már meghaladják az egyszerû ciklusú gázturbinák 45%-os hatásfokát.




Típusok és jellemzôik
A tüzelôanyag-ceilák az akkumulátorokra emlékeztetnek annyiban, hogy elektrokémiai reakciókban egyenáramot állítanak elô. Ezekben is két elektród van, egy anód és egy katód, melyeket elektrolit választ el egymástól. Az akkumulátorokhoz hasonlóan ezeket is teleppé kapcsolják sorba (egy cella kapocsfeszültsége egy volt körül van), hogy a használathoz szükséges feszültséget és kimenôteljesítményt elérjék.

Az akkumulátoroktól eltérôen a tüzelôanyag-cellákból nem a kémiai formában tárolt elektromos energia szabadul fel, hanem valamilyen, sok hidrogént tartalmazó tüzelôanyagot alakít át elektromos árammá és addig mûködik, amíg tüzelôanyagot táplálnak be. A lehetséges szénhidrogén tüzelôanyagok közé tartozik a földgázon kívül a szénbôl készíthetô úgynevezett szintézisgáz, a hulladéklerakókból nyerhetô biogáz, valamint olyan egyszerû alkoholok, mint a metanol.

A tüzelôanyag-cellákat az elektrolit típusa szerint osztályozzák (1. táblázat). Vannak olyan elektrolitok, mint a foszforsav és az olvadt nátrium-, vagy kálium-karbonát, amelyek nehezen kezelhetôk. Mindegyik alaptípus 80 és 1000 Celsius-fok között, egy rá jellemzô hômérsékleti tartományban mûködik.

1. táblázat Tüzelôanyag-cellák jellemzôi

Típus és rövidítés Mûködési hômérséklet (oC) Jellemzô elektrolit
Lúgos 80-95 Folyékony kálium-hidroxid
Protoncserélô, (polimer elektrolit) membrános (PEM) 80-95 Szilárd perfluorozott szulfosavion-cserélô membrán
Foszforsavas (PAFC) 175-200 Teflon kötôanyagú szilícium-karbidra diszpergált folyékony foszforsav
Olvadt karbonátos (MCFC) 540-650  Lítium-alumínium-oxid mátrixban megkötött alkáli (Na/K)-karbonát
Szilárd oxidos (SOCF) 980 Szilárd, ittriummal stabilizált cirkónium-dioxid

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma és az energiaipar a foszforsavas, az olvadt karbonátos és a szilárd oxidos cellákat tartja a legalkalmasabbaknak elektromosáram-termelés céljára magas hatásfokuk miatt, s így elsôsorban ezek fejlesztését tervezik. A negyedik, a protoncserélô membrános típust, amelyet polimer elektrolitos (PEM)1 néven is ismernek, kis helyigénye és súlya miatt a jármûvekhez részesítik elônyben, de stabil felhasználásokhoz is megfelelô lenne, ha gyártását gazdaságos léptékben végeznék. Az ötödik csoport, a lúgos tüzelôanyag-cellák jelentôsége magas áruk miatt a többiekhez képest csekély és csak az ûrbeli aikalmazásokra korlátozódik.

A foszforsavas tüzelôanyag-cellák (PAFC)2 technológiája a legkiérleltebb a stabil (helyhez kötött) áramtermeléshez. Kulcsrakész, 200 kW-os üzemeket a világon már több mint hetven helyen szereltek fel és üzemeltetnek. Mivel 200 Celsius-fok körül mûködnek, hulladékhôt is termelnek, amelyet vízmelegítésre és fûtésre lehet felhasználni. Az üzemanyagra számított elektromos hatásfokuk 40% felett van, de ha a teljes hulladékhôt is hasznosítják, hatásfokuk 80%-nál is jobb.

Az olvadt karbonátos tüzelôanyagcellákból (MCFC)3 álló 250 kW-os áramtermelôk bemutató példányait most tesztelik. Hatásfokuk az elektromosáram-termelésre megközelíti az 50%-ot. Magas, 650 Celsius-fokos üzemelési hômérsékletük következtében az ilyen cellákból álló telepek alkalmasak kombinált ciklusú alkalmazásokra, amelyekben a cellák által kibocsátott hô (gázáram) felhasználható egy turbina (és természetesen a rákapcsolt generátor) meghajtására. Ilyen, kombinált ciklusú mûködtetés esetén elektromos hatásfokuk megközelítheti a 60-65%-ot.

A szilárd oxidos tüzelôanyag-cellák (SOFC)4 még az olvadt karbonátos egységeknél is korábbi, demonstrációs fázisban vannak. Jelenleg a csúcs egy 100 kW-os kerámiacellás konstrukció kipróbálása, amelyben az elektrolit ittriummal stabilizált cirkónium-dioxid. 1000 Celsius-fokig terjedô üzemelési hômérsékletével a szilárd oxidos celláknál is alkalmazható a kombinált ciklusos használat. Hatásfokuk az olvadt karbonátos cellákéhoz hasonló.

Ami a szinte kizárólag jármûvekben használt protoncserélôs, membrános (PEM) technológiát illeti, stabil áram termeléshez más felépítésû egységekre van szükség. Ezekben például kell hogy legyen az egyenáramot váltakozóvá alakító inverter, viszont kevésbé kritikus a méretük és a súlyuk. Ahhoz, hogy gazdaságosak legyenek, legalább 40 000 órát kellene mûködniük a teljesítmény lényeges romlása nélkül.

A PEM-üzemanyagcellás berendezések nem mobil célokra történô alkalmazásának lehetôségét csak újabban kezdték behatóan tanulmányozni. A PEM alacsony mûködési hômérséklete és az a képessége, hogy nagy áramsûrûségnél is mûködjék, gyors indítást és könnyû, kisméretû cellaszerkezetet tesz lehetôvé (ezért választották jármûvekhez). Másrészt a jármûvekhez eddig kísérleti célokra kifejlesztett konstrukciók rendkívül költségesek és még a fejlesztésben kitûzött célok is elég lehangolóak: 1000 USD/kW költség olyan rendszerre, amelynek élettartama mintegy 5000 óra. A tüzelôanyag-cella hardverje az újonnan kifejlesztett, folyékony hidrogénnel mûködô Necar 4 nevû kocsiban 30 000 dollárba kerül, azaz tízszer annyiba, mint egy hagyományos motor. Ahhoz, hogy a PEM-rendszerû áramtermelôk stabil alkalmazásokhoz a mai árampiacon valamelyest versenyképesek legyenek, el kell érniük a 800-1200 USD/kW értéket.
 

A tüzelôanyag átalakítása a felhasználáshoz
Ha nem hidrogént, hanem hidrogéntartalmú szénhidrogént használnak, a foszforsavas, a PEM- és némelyik olvadt karbonátos tüzelôanyag-cellás áramtermelôhöz hidrogént elôállító rendszer (bár nagyon kicsi) is szükséges, utánozva ezzel számos korszerû nagyüzemben használt technológiát, amelyekben a helyszínen kell hidrogént elôállítani. Más típusú olvadt karbonátos, és a szilárd oxidos tüzelôanyag-cellákban a magas üzemelési hômérséklet következtében magában a cella belsejében tudják a földgázt átalakítani (reformálni). A gôz, vagy önhevítô reformáló a földgázt szén-monoxid és hidrogén keverékévé alakítja. A szén-monoxid nagy része katalizátorcjelenlétében a vízgôzzelctovábbi hidrogén és szén-dioxid képzôdése közben reagál. A PEM-tüzelôanyagcellák esetében a platinakatalizátort a szén-monoxid tönkretenné (megmérgezné), ezért a maradék szén-monoxid átalakítására valamilyen szelektívebb katalizátort alkalmaznak. Mindezek a folyamatok az áramtermelô egységben mennek végbe.
 

Lakások áramellátására szolgáló rendszerek
Számos, lakásokhoz alkalmazható PEM-áramfejlesztõ rendszer tervezése folyik napjainkban is. Ezek üzemanyaga hidrogén, amelyet földgázból állít elô az áramtermelô egységben lévô reformáló rendszer. A csúcsfogyasztáskor bekapcsolódó akkumulátorokat a rendszer azokban az idôszakokban tölti fel, amikor az áramtermelô alapkapacitás meghaladja a fogyasztást. Megjegyezzük, hogy bár az elmúlt tíz évben az intenzív kutató-fejlesztô munka eredményeként az ilyen tüzelôanyag-cellák költségei tizedére csökkentek, a gyakorlati alkalmazáshoz még további jelentôs költségcsökkentés szükséges, hogy elérjék a hagyományos erômûvek 500-1500 USD/kW-os költségszintjét.

A bostoni American Power Co. berendezése két PEM-tüzelôanyag-cellából és nyolc ólomakkumulátorból áll (1. ábra). A cellák kimenõ teljesítménye 3 kW, ami az akkumulátorok segítségével 10 kW-os csúcsterhelést tesz lehetôvé. Méretét tekintve a teljes berendezés akkora, mint egy nagyobb hûtôszekrény, és az elôállító célja, hogy szerényebb léptékû sorozatgyártás esetén ára ötezer dollár alatt legyen. Jelenleg a prototípus egy példánya mûködik. A hatóságok közszolgáltatásokhoz néhány tucat egységet rendeltek demonstrációs célokra és tapasztalatszerzésre.

Más cégek családi házak áramellátására alkalmas típus fejlesztésébe kezdtek. Ebben ugyancsak PEM-tüzelôanyag-cellákat kombináltak akkumulátorokkal egy olyan rendszerhez, amely már ki tudja elégíteni egy 275-375 négyzetméteres ház teljes elektromos energiaszükségletét.

3. ábra. Tüzelôanyag-cellából és mikroturbinából álló hibrid áramfejlesztô. A szilárd oxidos tüzelôanyag-cellából és gázturbinából álló hibrid áramfejlesztônél a kimenô elektromos teljesítmény 60%-át a tüzelôanyag-cella, 40%-át a gázturbinára kapcsolt generátor adja. A turbinából távozó meleg levegôt vezetik a tüzelôanyagcellába.




Gázturbinával kombinálva
Az elektromos teljesítmények s egyúttal a hatásfokok maximalizálására az áramfejlesztôk a hôerômûvektôl az atomerômûvekig az úgynevezett kombinált ciklusok módszerét alkalmazzák. A tüzelôanyag-cellás áramtermelést is kifizetôdô más áramtermelô móddal kombinálni, például a szilárd oxidos tüzelôanyag-cellához gázturbinát adni. A kombináció azért elônyös, mert egyszerre két problémát is megold: növeli a hatásfokot és nem lép fel a kis gázturbinák önálló használatakor keletkezô viszonylag sok nitrogén-oxid. Tájékoztatásul: a kis, 10 MW-osnál kisebb gázturbinák hatásfoktartománya 25-30%. A kombinált rendszer teljesítmény-beruházási költség arányát tekintve is elônyös. A magas hômérsékleten üzemelô, kis teljesítményû szilárd oxidos és olvadt karbonátos áramfejlesztôk költségét 1000-1500 USD/kW-ra becsülik, ha 2000 után meg fognak jelenni a piacon. Úgy vélik, hogy a kombinált rendszer teljesítményre számított beruházási költsége jóval alacsonyabb lesz, nagyjából annyi, mint az önálló, kisebb hatásfokú gázturbinás erômûveké. A vázolt hibrid rendszerben, amelyben a tüzelôanyag-cellák égôkamraként mûködnek, amennyiben biztosítják a plusz elektromos energiát termelô turbina meghajtásához szükséges forró gázáramot, a tüzelôanyag elektromos energiává alakításának hatásfoka még az 1 MW-osnál kisebb méretben is 60% fölé emelkedik. Ez jóval magasabb, mint bármely más (azonos méretû) elektromosenergia-termelô rendszer hatásfoka (2. ábra). Nagyobb rendszerekkel – a 100–400 MW-os tartományban – 75% feletti hatásfok érhetô el. Viszont míg az ebbe a teljesítménytartományba tartozó gázturbinák kereskedelmi forgalomban kaphatók, az ekkora erômûvekhez szükséges tüzelôanyag-cellákat valószínûleg csak egy-két évtized múlva lesznek képesek gyártani. Pillanatnyilag a kis, vagy mikrotüzelôanyag-cellákból és gázturbinákból álló rendszerek kutatása-fejlesztése folyik. Készült már olyan, csõ alakú, szilárd oxidos cellatelep, kis gázturbinával kombinált 1,3 MW-os rendszerhez, amelytôl legalább 63%-os hatásfokot várnak (3. és 4. ábra). A teljesítmény jelentôs fokozását érik el a (jelenleg kipróbálás alatt lévô) túlnyomásos szilárd oxidos tüzelôanyagcellák alkalmazásával.

4. ábra. A Siemens Westinghouse 1 MW os-tüzetôanyag-cellás áramfejlesztô erômûve szilárd oxidos cellákból és gázturbinából áll (a hozzákapcsolt generátorral)




Piaci távlatok
A világ legnagyobb részén az elektromosság nagy, összetett hálózaton keresztül jut el a felhasználókhoz. Az áramellátás ingadozásai (ha ilyenek vannak) nyilván kevésbé okoznak gondot mondjuk egy lakóházban, mint a bonyolult termelési folyamatokat alkalmazó ipari komplexumokban, vagy különleges intézményekben. A tüzelôanyag-cellás áramtermelôk elsô piacai azok a fogyasztók lehetnek, amelyeknél a különlegesen nagy megbízhatóság, áramminôség és környezetvédelmi szempontok (szigorú emissziós elôírások) fontosabbak, mint a hálózati áram olcsóbb ára. Ilyen célokra az elsôk a konténerekben elhelyezett, 200 kW-os foszforsavas rendszerek voltak. Ezek már harminc helyen találhatók meg katonai berendezésekben, kórházakban, szanatóriumokban, szülôotthonokban, idôsek otthonaiban, szállodákban, motelekben, kollégiumokban, börtönökben, kisebb áruházakban, kémiai anyagokat elôállító üzemekben, folyamatos üzemû gyártási folyamatok ellátására, adatfeldolgozó és távközlési központokban, vagyis olyan helyeken, ahol egy áramszünet különösen nagy bonyodalmakat okozna.

Az Egyesült Államok energiahivatalának támogatásával számításokat végeztek, hogy milyen beruházási költségek esetén lehetnek a tüzelôanyag-cellás áramtermelô berendezések versenyképesek a különbözô fogyasztók körében. A jelentés arra a következtetésre jutott, hogy a tüzelôanyag-celláknak (legalábbis kezdetben) jobb esélyeik vannak a kereskedelmi létesítmények, mint a lakások ellátására, mert a piac itt tudja jobban elismerni a magasabb árakat. A fogyasztói kategóriák megoszlását a 2. táblázat mutatja be.

2. táblázat Fogyasztótípusok energiaigénye és piaci részesedése (az Egyesült Allamokban)

Épületfajta Alapterhelési igény kW-ban
(1;2;)
Részesedése az amerikai piacon (%)
Nagy, sokemeletes iroda. Legnagyobb kórházak és szállodák. Nagy bevásárlóközpont        1000 20%
Kórház (200-300 ágyas). Nagy szálloda (750 szoba). Iroda (20 000 m2). Iskola (12 000 m2). Nagy üzlet        200–1000 35%
Kis irodaház (900 m2) Átlagos szálloda (125 szoba). Soklakásos ház (100lakás)        50–200 35%
Gyorsétterem (400 m2) Iroda (400 m2). Soklakasos ház (25 lakás)        10–50 10%

1; A csúcsterhelés ennek két-háromszorosa; 2; Kevés olyan épület van Európában, amelynek alapterhelése 1 MW-nál nagyobb volna




Pillanatnyilag az egyedüli, kereskedelmi forgalomban lévô tüzelôanyagcellás áramfejlesztô 200 kW-os berendezése, amelybôl eddig több mint százhetven darabot értékesítettek. Ez a modell egy 3 méter széles, 3 méter magas és 5,5 méter hosszú konténerben van elhelyezve, amelyben a foszforsavas tüzelôanyag-cellák földgázzal mûködnek. Teljesítménye elég egy átlagos szállodának. Jelenleg harminc helyen használják katonai létesítményekben, ahol 3000-4500 dolláros ára elfogadható. Az elôállítatt áram mellett képzôdött hulladék hôt a helyszínen hasznosították különbözô célokra (vízmelegítés; fûtés). A hadügy-minisztérium vásárlásainak kettôs célja volt: egyrészt a különbözô idôjárási körülményeknek kitett, különbözô tengerszint feletti magasságokon lévô berendezések üzemeltetési tapasztalatai a további fejlesztést segítik, másrészt az állam a piac növelésén keresztül támogatja a további kutatásokat. Mint minden új terméknél, a tüzelôanyag-cellás áramfejlesztôknél is az elôállítási költség csökkentésének kulcsa az elôállítás mennyiségének növelése.

Végezetül, ami a jövôt illeti: szakmai körök véleménye szerint öt éven belül jelenhetnek meg versenyképes áron a jelenleg leginkább igényelt, 200-2500 kW-os teljesítményû tüzelôanyag-cellás rendszerek. Természetesen – mint minden bonyolult technológiai fejlesztésnél – itt is adódhatnak elôre nem látható nehézségek. Nagyon valószínû viszont, hogy még sokáig nem lesznek több száz megawattos, tüzelôanyagcella alapú erômûvek.
 

IRODALOM
1. IEEE Spektrum, 5 és 9/1999
2. Nature, 404, No 6777 (2000)
3. Umweltschutz 3/2000


1. Proton exchange membrane
2. Phosphonic acid fuel cell
3. Molten carbonate fuel cell
4. Solid oxide fuel cell
 
 

Tüzelôanyag-cellák mûködése

A tüzelõanyag-cellák hidrogén és oxigén elektrokémiai egyesítésével állítanak elõ áramot. A hidrogént többféle forrásból nyerhetik: lehet egy tartályból tiszta hidrogént betáplálni, egy külsô tüzelõanyag-feldolgozóban (reformerben) végrehajtott folyamatból nyert, hidrogént tartalmazó gázkeverék formájában, vagy pedig gáz alakú szénhidrogénekbôl magában a cellában reformálással elôállítva. Az oxigént tiszta gáz formájában vezetik be, vagy a levegôbôl nyerik.

A porózus pozitív és negatív elektródokat, amelyek a tüzelôanyagot és az oxidáló gázokat abszorbeálják, elektrolit választja el egymástól. A cellák típusainak elnevezése az elektrolit szerint történik. Az elektrolit az a közeg, amely az ionokat szállitja az elektródok között. A hidrogént valamennyi típusnál az anódra vezetik.

A foszforsavas és a protoncserélôs, membrános típusokban egy katalizátor (rendszerint platina) segítségével minden hidrogénmolekulából két protont szakítanak ki. Ezek haladnak át a cellára kapcsolt külsö áramkörön (fogyasztó). Ezalatt a cellában a hidrogénionok az elektroliton át a katódra vándorolnak, ahol az O2 és a külsô áramkörbôl visszatérô elektronok reakciójával oxigénionok (O) keletkeznek. Végül a hidrogén- és az oxigénionok vízzé egyesülnek.

A szilárd oxidos cellákban az oxigén a katódon reagál a visszatérõ elektronokkal, és a keletkezô ionok mennek át az elektroliton az anódra, ahol elektronjaik lehasadnak (víz keletkezik). Az olvadt karbonátos tüzelôanyag-cellákban az elektronokat az anódon távolítják el a karbonátionokból, amelyek a katódon képzôdnek szén-dioxid és a visszatérõ elektronok reakciójával, majd a karbonátionok az anódra kerülnek. A szilárd oxidos és az olvadt karbonátos cellákban tehát a víz az anódon keletkezik.

A vízképzôdési reakciók exotermek, melléktermék mindössze vízgôz és hô. Megjegyezzük, hogy a cellákat a felhasználáshoz szükséges feszültség elérésére sorba kell kapcsolni, mert egyegy cella kapocsfeszültsége csak 0,7–0,8 volt.
 


Olvasóterem http://www.kfki.hu/chemonet/