Tüzelőanyag-cellák

Alapok és működési elvek

A tüzelőanyag-cellák elektrokémiai elven működő áramforrások, amelyek egy lépésben képesek az adott – üzemanyagként betáplált – vegyületekben (a legtöbb esetben a hidrogénben) tárolt kémiai energiát elektromos energiává alakítani, miközben járulékosan hő is keletkezik. Ebből következően a tüzelőanyag-cellák is a Galván elemek csoportjába tartoznak, akár csak az egyszer használatos szárazelemek, vagy a sokszor feltölthető, az autókban is immáron egyre szélesebb körűen alkalmazott és jól ismert lítium-ion akkumulátorok. Azonban utóbbiakkal szemben a tüzelőanyag-cella folyamatos üzemű Galván elemnek tekinthető, ami azt jelenti, hogy – szemben a szárazelemekkel és akkumulátorokkal – egy tüzelőanyag-cella mindaddig képes folyamatosan villamos energiát szolgáltatni, amíg a kiindulási anyagok (valamint az oxidálószer, ami a legtöbb esetben a levegő oxigénjének) folyamatos betáplálása történik.

Tudományos megközelítésben elektrokémiai áramforrások működésének lényege az, hogy egy kémiai reakció szabadentalpia-változását alakítják át munkává. (A hasznos munka a gyakorlatban a legtöbb esetben az előállított villamos energia, de egyes tüzelőanyag-cella típusoknál a keletkező hő is hasznosítható.) Ez úgy történik, hogy az anódon, azaz a negatív elektródon oxidáció (elektronleadás), míg a katódon, azaz a pozitív elektródon redukció (elektronfelvétel) játszódik le. Az elektronok a két elektródot összekötő fémes vezetőn jutnak el az anódtól a katódig. Fogyasztó (pl. elektromotor) beiktatásával az elektronokkal munkát lehet végeztetni, amelynek nagysága a két elektród közötti potenciálkülönbségtől és az áthaladt töltésmennyiségtől függ. A potenciálkülönbség nagysága az alkalmazott reakciópartnerek minőségétől, míg a hasznosítható töltésmennyiség azok mennyiségétől függ.^[1] A fentiekből következik, hogy tüzelőanyag-cellák esetében a lezajló reakció Gibs-féle szabadentalpia-változása (∆G) határozza meg a hatásfok értékét, szemben a hőerőgépekkel, ahol az ún. Carnot-hatásfok limitálja a hatásfokot. A tüzelőanyag-cellák legfőbb előnyei közé tartozik a magas hatásfok és a (lokálisan) zéró vagy ultra-alacsony kibocsátás. Amennyiben a TC üzemanyaga hidrogén, akkor a kibocsátás (lokálisan) mindössze víz(gőz) lesz; amennyiben pedig valamilyen – erre alkalmas TC esetében – a betáplált üzemanyag valamilyen szénhidrogén (metán, propán, metanol, stb.) a kibocsátott légszennyező anyagok mennyisége csak töredéke a hagyományos energiatermelő berendezésekhez képest.

A következő ábra egy ideális (hidrogén – oxigén) elemi cella részletesebb működését, az egyes elektródoknál lejátszódó (félcella) reakciókat mutatja be, továbbá tartalmazza az energiamérleget is.

Az angol nyelvű szakirodalomban „fuel cell” néven, a németben „brenntstoffzelle” néven említik. A magyar nyelvben természetesen ez esetben is több elnevezése is meghonosodott. Ezek közül preferált és hivatalosnak tekinthető a „tüzelőanyag-cella” megnevezés, de egyesek a mobil alkalmazásokba épített változatokat „üzemanyag-cellának” is nevezik; illetve előfordul még olykor a „tüzelőanyag-elem” megnevezés is.

Tüzelőanyag-cellák típusai és jellemzői

Sokféle tüzelőanyag-cellát fejlesztettek ki, de alapjában véve megkülönböztethetünk közönséges hőmérsékleten és nagy hőmérsékleten működőket. Az előbbiek könnyen elviselnek sok be- és kikapcsolást, ez előnyös például gépjárműveknél, míg az utóbbiak inkább folyamatos üzemben, például erőművekben hasznosíthatók. A tüzelőanyag fajtáját, az elektrolit és más komponensek minőségét, valamint a felépítésüket tekintve jelenleg számos, különböző típusú tüzelőanyag-cella van forgalomban. A jelenleg leggyakrabban előforduló tüzelőanyag-cella típust és jellemzőiket a következő felsorolás és táblázat foglalja össze:

• AFC: Alkálikus tüzelőanyag-cella (Alkaline fuel cell): az első tüzelőanyag-cella típusok közé tartozik, amelyeket az 1960-as években az Apollo űrhajókban és az űrkompokban használtak. Ezek azbeszt-szeparátoros alkálikus H₂/O₂ tüzelőanyag-cellák voltak. Ezekben az elektrolit kálium- hidroxid. Hatásfokuk kiváló, olcsó elektrolitot (NaOH) tartalmaznak, a katalizátoruk is olcsó, így maga a cella bekerülési költsége sem drága, azonban komoly hátrányuk, hogy nagyon érzékenyek szén-dioxidra, emiatt igen tiszta input gázokat igényelnek (tehát nem csak a betáplált hidrogénnek, de az oxigénnek is meglehetősen tisztának kell lennie.) Napjainkban csak néhány speciális alkalmazásáról tudunk, tehát e típus jelentősége eltörpül például a PEM, MCFC vagy SOFC típusokhoz képest.
• PEMFC: Protoncserélő-membrános tüzelőanyag-cella (Proton exchange membrane fuel cell): az ilyen cellák lelke egy 1,0 mm-nél vékonyabb, hidratált protoncserélő membrán, amely csak a hidrogén-ionokat (azaz a protonokat) engedi át. A membránt mindkét oldalán porózuskatalizátorral, általában platinával vonják be. A hidrogént és az oxigént (levegőt) a membrán két ellentétes oldalán vezetik a cellába. A hidrogénből keletkező hidrogén-ionok áthaladva a membránon, annak másik oldalán az oxigénredukció termékével, az OH^–-ionokkal vízzé egyesülnek. A PEM cellák többszöri és gyors be- és kikapcsolással működő, továbbá gyors teljesítményingadozásokat követelő alkalmazásokra készülnek, nagy teljesítménysűrűség (kW/kg) jellemzi őket, emiatt gyakorlatilag jelenleg az összes HTC személy- és teherautóban jelenleg ilyenek találhatók. Jelenlegi hátránya, hogy az alkalmazott platina katalizátor igen érzékeny bizonyos szennyezésekre (pl. CO), ami miatt meglehetősen tiszta hidrogént követel, továbbá a membrán ideális nedvességének biztosítása is viszonylag komplex feladat. Mindezekkel együtt is a cella típus rendelkezik a legjelentősebb potenciállal a várható költségcsökkenés tekintetében, a tömeggyártás megvalósulásával. E cella típus jelentősége már jelenleg is a legnagyobb: a világszinten értékesített összes tüzelőanyag-cella darabszám (~74 ezer db/év) vonatkozásában – 2018-ban – a PEM típus önmagában közel ~60%-ot tett ki; az értékesített teljesítmény vonatkozásában pedig még magasabb ez az arány. A PEM típuson belül megkülönböztetnek alacsony hőmérsékleten (LT; 50-90 ^oC) és magasabb hőmérsékleten (HT; 120-180 ^oC) működő altípusokat, melyek közül az utóbbi (HT) előnye, hogy sokkal toleránsabb az input gázok szennyezéseire, az eredő hatásfoka pedig magasabb; ellenben drágábbak és műszaki érettségük sem áll olyan magas szinten, mint a LT változat esetében.
• DMFC: Direkt-metanol tüzelőanyag-cella (Direct Methanol Fuel Cell): ezt a PEM típusú tüzelőanyag-cellák egyik alváltozatának tekintik, így sokan nem is sorolják önálló csoportba. Ez is polimer membránt használ, és gyakorlatilag olyan hőmérsékleten üzemel mint a LT PEMFC. Input üzemanyaga a metanol híg oldata, amelynek előnye, hogy – folyadékként – könnyen kezelhető, és viszonylag nagy az energiasűrűsége, azaz hosszú ideig képes energiát szolgáltatni, azonban hatásfoka alacsony (10-20%) és csak kisebb teljesítményű (max. néhány kW nagyságrendű) kategóriákban érhető el. Egyes speciális alkalmazásokban (pl. egyes katonai alkalmazások, elektromos hálózattól távoli helyeken elhelyezett műszerek áramellátására stb.) kiváló, de tényleges piaci potenciálja mérsékelt.
• PAFC: Foszforsavas tüzelőanyag-cella (Phosphoric acid fuel cell): a közepes hőmérsékleti tartományban működő cella-típus (kb. 160–220°C), amely viszonylag széles teljesítménytartományt képes lefedni, egészen a MW_e léptékig. Teljesítménysűrűségük, és dinamikus le- illetve felterhelhetőségűk sebessége alacsony. Műszakilag érettnek tekinthető cella-typus, viszonylag alacsony jövőbeni költségcsökkenési potenciállal. A kémiailag agresszív elektrolit miatt ez a cella-típus kevésbé alkalmas a kisebb teljesítménytartományokban, így például épületenergetikában, mobil alkalmazásokban; hanem inkább telepített energiatermelő alkalmazásokban használhatók, de csak igen kis számban fordulnak elő.
• MCFC: Olvadék-karbonátos tüzelőanyag-cella (Molten carbonate fuel cell): a magas hőmérsékleten (600-700 ^oC) működő TC-k csoportjába tartozik, elektrolitját olvadék fázisú karbonát képezi. Ebből is következik, hogy meglehetősen lassú terhelésváltozásokat visel csak el, tehát telepített erőművi (és zsinórtermelés jellegű) alkalmazásra ideális. Az elektrolit K₂CO₃– és Li₂CO3-olvadékkal impregnált kerámiahordozó. Fő előnye a magas, 55-60% köröli elektromos hatásfok, továbbá, hogy egyszerűbb, olcsóbban elérhető katalizátorokat igényel (pl. nikkel illetve nikkel-oxid); továbbá kevéssé érzékeny az input anyagok minőségére, amelyek ráadásul többfélék is lehetnek: nem csak hidrogén, hanem hidrogén tartalmú gázok (mint pl. fölgáz, biogáz, szintézis gáz), metanol vagy egyéb szénhidrogének, a cella belső reformálási folyamatai miatt. Ez az üzemanyag-flexibilitás szintén jelentős előnynek tekinthető, továbbá ugyancsak kiemelhető, hogy még szénhidrogének input anyagként történő alkalmazása során is a kibocsátott légszennyező anyagok mennyisége nagyon alacsony. A magas hőmérsékletű működés miatt kogenerációra (CHP) is kiválóan alkalmas, amely így ~85% körüli eredő hatásfokot eredményezhet.
• SOFC: Szilárd-oxidos tüzelőanyag-cella (Solid oxide fuel cell): szintén a magas hőmérsékletű (500 –1,000°C) TC-k csoportjába tartozik, amelyben az elektrolitot szilárd, porózus kerámia anyag képezi (például ittriummal stabilizált cirkónium-dioxid). Tehát nem igényel drága katalizátorokat, viszont magas hőmérsékletet elviselő anyagokat igen. Ebből következően e cella-típus is lassú teljesítményváltoztatásokra képes, viszonylag hosszú a beüzemelési ideje, azonban igen magas villamos hatásfokkal képes működni. Ezekből fakadóan elsődlegesen telepített energiatermelésre alkalmazzák, ahol azonban széles teljesítménytartományokban létezik: néhány kW-tól, a több MW-os léptékig. Szintén ideális lehet kapcsolt (CHP) energiatermelésre, magas eredő hatásfokkal. A magas hőmérsékletű működés miatt – az MCFC-hez hasonlóan – a cella-típus belső reformálási reakciók lezajlását is lehetővé teszi, így nem szükséges tiszta hidrogén az üzemeltetéséhez, hanem hidrogént tartalmazó vegyületek (szénhidrogének) alkalmazása is megengedett, tehát ugyancsak tüzelőanyag-flexibilis. Továbbá toleráns az input anyagokban található szén-monoxid és kén szennyezésekre. Az MCFC-hez képest jóval hosszabb élettartam, és alacsonyabb beruházási költség jellemzi. Az utóbbi években a PEMFC után a második legjelentősebb tüzelőanyag-cella típus lett az értékesítés darabszámát és teljesítményét tekintve is. Ez köszönhető részben annak is, hogy akár háztartási léptékű (~1-2 kW_e) kogeneráció (µCHP) is megvalósítható a SOFC tüzelőanyag-cellákkal.

Ezeken kívül is említ a szakirodalom egyéb tüzelőanyag-cellákat, mint pl. direkt etanolos tüzelőanyag-cella (DEFC), vagy hangyasavas tüzelőanyag-cella (DFAFC), de ezek például szintén a PEM altípusainak tekinthetők, másrészt gyakorlati jelentőségük – egyelőre csekély; inkább csak a teljeskörűség kedvéért említjük meg ezeket. A fenti információk és a következő táblázatban megadott műszaki adatokkal kapcsolatosan megemlítjük, hogy ezek inkább tájékoztató jellegű adatok, és „statikus” jellegűek (jelen műszaki fejlettségi színvonalra vonatkoznak). Ez azt jelenti, hogy a jelentős erőkkel zajló kutatás-fejlesztési tevékenységek központjában részben éppen a tüzelőanyag-cellák hatásfok-növelése, élettartamuk meghosszabbítása áll, így – hasonlóan az akkumulátorokhoz – e területen is gyors fejlődés várható. Másrészről a tüzelőanyag-cellás technológiák egyik fő tulajdonsága, hogy moduláris jelleggel bővíthetők; tehát a lentebb megadott teljesítmény-tartományok rugalmasak. Például a világ jelenleg (2019) legnagyobb tüzelőanyag-cellás erőműve ~59 MW_e teljesítményű (Dél-Koreában üzemel), és ~2,4 MW_e egységteljesítményű DMFC tüzelőanyag-cellákból áll. PEMFC típusú (kis)erőműből is üzemel már néhány, 1-2 MW_e teljesítményű, amelyek néhány száz kW_e egységteljesítményű PEMFC modulokból állnak.

Jelenlegi piaci helyzet

Ahogy a következő diagramokon látható, a legutóbbi, elérhető statisztikai adatokkal rendelkező teljes évben (2018) világszinten kb. ~75.000 darab tüzelőanyag-cellát értékesítettek (, amelyekbe nem számolják bele az egészen kis teljesítményű, általában játék vagy oktatási célú tüzelőanyag-cellákat és a kisteljesítményű hordozható TC töltőket, melyek sok tízezres nagyságrendet képviselhetnek, de sem az energetikára sem a mobilitásra nincs érdemi ráhatásuk – ezért a hivatalos statisztikák általában kihagyják ezeket). Együttes teljesítményben kifejezve ez ~800 MW/év₍₂₀₁₈₎ tüzelőanyag-cella értékesítést jelent. Az értékesített darabszámot tekintve nem olyan jelentős növekedés a korábbi évekhez viszonyítva, azonban a teljesítményben (MW/év) kifejezett éves növekedési ráta az utóbbi időben mindig 20%/év fölött járt. 2019 az első év, amikor a tüzelőanyag-cellák globális értékesítése az 1.000 MW/év (1 GW/év) értéket elérte.

A tüzelőanyag-cellás értékesítés regionális megoszlását tekintve elmondható, hogy a darabszám tekintetében abszolút meghatározó Ázsia pozíciója; míg a teljesítmény szerinti megoszlást tekintve Észak-Amerika után a második helyen áll. Ez azt is jelenti, hogy Amerikában inkább a nagyobb egységteljesítményű, telepített energiatermelő TC technológiákat telepítik, Ázsiában pedig sok, de kisebb teljesítményű TC kerül telepítésre. Európa sajnos meglehetős lemaradásban van a tüzelőanyag-cellás értékesítés terén, különösen ha a beépített teljesítmény alapján vizsgáljuk.

Ha a tüzelőanyag-cellák piacát az alkalmazási kategóriák szerint vizsgáljuk, akkor az látható, hogy darabszámát tekintve abszolút domináns a telepített (energiatermelő) berendezések aránya (~77%), míg a közlekedési célú tüzelőanyag-cellák részesedése egyelőre jelentős lemaradásban van (~15%). Ugyanakkor ezzel szinte ellentétes az arány, ha az értékesítést a teljesítmény tükrében nézzük: ez esetben az értékesítés több mint kétharmadát (~70%) a mobilitási célú alkalmazások adják. E látszólagos ellentmondás oka, hogy Ázsiában, elsődlegesen Japánban már viszonylag komoly, évente tízezres nagyságrendű piaca van már a háztartási léptékű, mikro-kogenerációs tüzelőanyag-celláknak, amelyek egységteljesítménye viszont csak 1-2 kW_e. Ezzel szemben, az egyelőre lassabban fejlődő TC mobilitási szegmensben egy átlag személyautóba ~100-130 kW_e, egy buszba ~120-200 kW_e tüzelőanyag-cella kerül beépítésre, azaz közel kétszeres egységteljesítmény kerül egy járműbe, mint a háztartási léptékű telepített µ-CHP egységekbe.

A fentiekhez hasonló okok miatt az értékesített darabszámon belül a PEM típusú TC-k teszik ki az összes értékesítés több mint felét (57%); míg ha teljesítmény (MW/év) alapján vizsgálnánk, akkor a PEM részesedése jóval nagyobb, önmagában körülbelül 73%. (Az itt megadott adatok is mind a 2018-as évre értelmezendők.) Ezen ábrák alátámasztják, hogy jelenleg a PEM tüzelőanyag-cellák tekinthetők a legfontosabb típusnak, azonban relatív jelentőségét az évek folyamán elsődlegesen a SOFC típus csökkenti, mivel utóbbi meglehetősen dinamikus növekedést mutat: 37% volt az aránya az értékesített darabszám tekintetében. A többi típus igen jelentős lemaradásban van: gyakorlatilag csak a DMFC mutat értelmezhető piaci részesedést világszinten, ami némileg kevesebb mint 5% a darabszám vonatkozásában, de gyakorlatilag már elhanyagolható, ha teljesítmény tekintetében vizsgálnánk.

[1] Dr. Inzelt György: Régi-új áramforrások: a tüzelőanyag-elemek. Fizikai Szemle, 2014/8.