Főbb Támogatóink

A kezdetek

Alessandro Volta (1745-1827) 1800-ban alkotta meg azt a készüléket, amelyik folyamatosan tudott elektromos áramot szolgáltatni. William Nicholson (1753-1815) és Antony Carlisle (1768-1840) még ugyanebben az évben a Volta-oszlop segítségével végrehajtották az első vízbontásos kísérletet. Az elektromos áram hatására vízből hidrogén és oxigén keletkezett. Ami számunkra érdekes, az a fordított folyamat, azaz a hidrogén és oxigén egyesítése vízzé:

A hidrogén és az oxigén egyesülése

2H₂(gáz) + O₂ (gáz) →2H₂O (folyadék)

Ezt a reakciót durranógáz-reakciónak hívjuk, mert igen hevesen, nagy energiafelszabadulással megy végbe, és csak bizonyos H₂/O₂ arány (> 2) felett és 600 °C-nál nagyobb hőmérsékleten játszódik le. Platinakatalizátor jelenlétében a H₂ és az O₂ egyesülése robbanásszerűen megy végbe.

A véletlenek itt is sokat segítenek…

Sir William Robert Grove

Sir William Robert Grove (1811-1896) jött rá arra - akinek személyében a tüzelőanyag-elemek atyját tiszteljük - jött rá arra, hogy a reakciót galváncellában szobahőmérsékleten igen jó hatásfokkal tudjuk energiatermelésre felhasználni. 1838-ban vette észre azt, hogy ha vizet elektrolizál, az alkalmazott áram kikapcsolása után ellenkező irányú áram kezd el folyni.

Ezt az áramot az okozza, hogy az egyik platinaelektródnál fejlődő hidrogén oxidálódik, míg a másiknál keletkező oxigén redukálódik. Grove kihasználta a felfedezését, és megszerkesztette az első tüzelőanyag-cellát, amelyet - megkülönböztetésül a többi elemtől, amelyekben fémek és vegyületeik közötti reakció szolgáltatta az áramot - gázelemnek nevezett el. A gázelem két, kénsavoldatba merülő platinaelektródból állt. Az egyik elektród a hidrogén-, a másik az oxigéntartályba nyúlt be. Grove azt is észrevette, hogy az oldatok szintje emelkedik, amikor áram folyik a két elektród között. Ez jelezte a hidrogén, illetve az oxigén fogyását. Grove az üzemanyag cellával kapcsolatos kutatásaival a gőzgépnek akart versenytársat teremteni, életében sajnos nem sok eredménnyel.

Az elmélet csak később adta meg a válaszokat…

Azt szokták írni, hogy Grove után több mint 100 évig nem történt semmi a tüzelőanyag-cellák felhasználása tekintetében. Ez igaz is, meg nem is. Ténylegesen nem hasznosították ezt a jelentős találmányt, de erre folyamatosan voltak próbálkozások. F.W. Ostwald elméletileg értelmezte a tüzelőanyag-cellákban lejátszódó jelenségeket (1893), míg Ludwig Mond és Charles Langer durranógáz-eleme (1889), illetve W.W. Jacques szén/levegő-eleme (1890), működőképesnek bizonyult. Németországban Werner von Siemens foglalkozott az általa "hideg égetés"-nek is nevezett elektrokémiai eljárással (hidrogén-oxigén cellák), amelyet leginkább tengeralattjárók energiaellátásának biztosítására akart felhasználni. Ahhoz azonban, hogy valóban jó hatásfokú, nagy áramsűrűségű eszközt szerkesszenek, csak akkor nyílt mód, amikor az elektródfolyamatok kinetikájának törvényszerűségeit sikerült feltárni, a katalizátorok kutatása fellendült, és megfelelő tulajdonságú elektrolitokat állítottak elő.

A technológia transzfer rögös útjai…

Az Apollo-11 kilövése
forrás: http://history.nasa.gov/

A korai történet Francis Thomas Bacon (1904-1992) 1930-as években kezdődő kutatásaival zárul, amely egyúttal megnyitotta az utat a modern fejlődéshez. Bacon szerkesztette az első alkálikus tüzelőanyag-cellát, amely 25 év fejlesztőmunka után az Apolló űrhajón szolgált. 1959-ben Bacon egy 5 kW-os berendezést, és még ugyanabban az évben Harry Karl Ihrig egy 20 lóerős üzemanyagcella-hajtású traktort mutatott be. A különböző típusú tüzelőanyag-celláknak persze megvan a saját történetük. A foszforsav sokáig mellőzött volt, mert sokkal rosszabbul vezeti az áramot, mint a kénsav. G.V. Elmor és H.A. Tanner 1961-ben jött rá arra, hogy magasabb hőmérsékleten a foszforsav már kielégítően vezet, viszont nem redukálódik, mint a kénsav. 1965-re készült el az első 5 kW-os, foszforsavas Allis-Chalmers-cella az amerikai hadsereg részére, és azóta a fejlődés töretlen. Az 50-100 kW-os cellákat éppúgy használják autóbuszok energiaforrásaként, mint nagyobb teljesítményű változataikat épületek világítási, fűtési igényeinek kielégítésére.

A szilárd oxidos tüzelőanyag-cellák története a Nernst-féle izzóig nyúlik vissza E. Baur és H. Preis 1930-as munkái, majd H.H. Möbius és sok más kutató kitartása vezetett oda, hogy 2000-re a Siemens Westinghouse 1152 cellából álló, 200 kW-os erőművei már egyenként 200 épület áramellátását biztosítják. A karbonátolvadékos cellák története párhuzamosan futott a szilárd oxidos cellákéval, szintén az 1960-as évek közepén jelentek meg a már jól használható prototípusok. Ma már 2 MW-s erőművek üzemelnek, de már elkészültek a 100 MW-os erőművek tervei is. Minden cellatípusnál nagy szerepet játszottak a folyamatosan fejlesztett, újabb és újabb anyagok, de a polimerelektrolit membránok előállítása valóban mérföldkövet jelentett, és kiváló példája annak, amikor egy új anyag, ötlet paradigmaváltást hoz egy adott területen. A polimerelektrolitos cellákat is az űrhajózás részére fejlesztették ki, és innen került át a technológia "földi" használatra, erőművekbe és gépkocsikba.

A hatvanas évek végére az alapvető tüzelőanyag-elemtípusok már készen álltak arra, hogy meghódítsák a világot. A klasszikus tüzelőanyag-elemek már korábban is szerepeltek a külföldi és magyar szak- és tankönyvekben, de a hatvanas években már az újabbakról is hírt adtak. Ez időtől kezdve már sorra jelentek meg speciális könyvek a témakörben. A második világháborút követően az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Légügyi és Űrhajózási Hivatala, azaz a NASA kutatóintézeteiben rendkívűl nagy mértékű költségvetési támogatással dolgozhattak. Legfőbb céljuk természetesen a Szovjetunióval szembeni technikai fölény megtartása és annak növelése volt. Az világtörténelem első műholdjának (Szputnyik) fellövése 1957-ben még inkább ösztönzőleg hatott a technológiai fejlesztésekre. Az űrkutatás vált a verseny leglátványosabb színterévé, a cél pedig a világűr birtokbavétele volt. A Gemini (Protoncsere-membrános cellák) és az Apolló (alkáli elektrolitos cellák) programban nem kis szerepet kaptak az üzemanyagcellák. Az űrhajózás szempontjából számtalan előnye volt már néhány akkori üzemanyagcellának is:

• Nem tartalmaztak mozgó alkatrészt
• Megbízható, stabil működésűek voltak
• Működésüket nem befolyásolta a gravitáció (csak a szilárd elektrolitos változatokra igaz), a hőingadozás valamint a kozmikus sugárzás
• Üzemanyaguk (általában hidrogén és oxigén) amúgy is az űrhajó rakományának egy részét képezte