Az utóbbi időkben némi zavar keletkezett a “fuel cell” magyarítását illetően. Sokan az “üzemanyagcella” kifejezést használják. Ez a név a közlekedési eszközökben alkalmazott áramforrásokra utal, és legfeljebb e kategóriát indokolt e megnevezéssel illetni. A hivatalos magyar kémiai elnevezés: tüzelőanyag-elem, ami kifejezi az egyéb, például erőművi alkalmazásokat is. Régebben a “tüzelőszer-elem” volt használatban, ami érdekes asszociációkra ad lehetőséget, főleg egybeírva: “tüzelőszerelem”.
Az üzemanyagcellák, akárcsak az alkáli elemek, vegyi reakciók során közvetlenül elektromos energiát állítanak elő. A legnagyobb különbség az, hogy míg az elemek lemerülésük után használhatatanok, addig az üzemanyagcellák addig üzemelnek, amíg üzemanyagot töltünk beléjük.
A protoncsere-membrános üzemanyagcella működése
Az üzemanyagcellák általában két elektródából (anódból és katódból) és a köztük lévő elektrolitból állnak. A folyamat során katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogénmolekulák protonokra és elektronokra szakadnak szét. A protonok az elektroliton haladnak keresztül, az elektronok pedig elektromos áram formájában hasznosíthatók. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénnel, és így víz jön létre.
Az üzemanyagcellák egyik előnye a belsőégésű motorokhoz képest az, hogy míg az üzemanyagcellák hatásfokát elméleti termodinamikai határok nem korlátozzák, addig a belsőégésű motorok hatásfokát a Carnot-ciklus által meghatározott termodinamikai határok szabják meg.
Pórusos elektródok
Mi volt az a technológia, amely a Grove-féle cella teljesítményét megtöbbszörözte, és mára a gyakorlatban is használható áramforrássá tette? A válasz természetesen összetett, de az egyik legjelentősebb teljesítmény-fokozó a pórusos elektródok alkalmazása volt. Az elektrokémiai reakció ugyanis két fázis határán játszódik le. Ez azt jelenti, hogy az elektród felülete és a reakció sebessége szabja meg az időegység alatt reagáló anyag mennyiségét, a cella teljesítményét. A katalizátorok a reakció aktiválási energiájának a csökkentésével érnek el hatékonyságnövekedést, míg a pórusos elektródok az aktív felületet képesek több nagyságrenddel is megnövelni. Az ilyen elektródok olyanok, mint egy szivacs, rengeteg kis belső üreggel, ezáltal óriási aktív felülettel rendelkeznek, ahol a hidrogén oxidációja és az oxigén redukciója lejátszódhat. A szivacs mátrixban elektron, míg az elektrolit fázisban ion áram van. A két fázis között az elektrokémiai reakció játszódik a töltésneutralitás makroszkopikus megtartásával.
A tüzelőanyag-elemek fajtái
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. Az üzemanyagcellákat leginkább a három fő jellegzetességük alapján szokásos csoportosítani: működési hőmérséklet, üzemanyag típusa, elektrolit fajtája.
Típus |
Elektrolit típusa
|
Hőmérséklet
|
Hatásfok 1
|
Alkáli Elektrolitos Cella | pl. 30%-os vizes kálium-hidroxid oldat |
80 °C alatt
|
60%-70%
|
Protoncsere Membrános Cella | protonáteresztő membrán |
70-220 °C2
|
50%-70%
|
Direkt Metanol Membrános Cella | protonáteresztő membrán |
90-120 °C
|
20%-30%
|
Foszforsavas Cella | tömény folyékony foszforsav |
150-220 °C
|
50%-60%
|
Olvadt Karbonátos Cella | olvadt lítium-, nátrium- és kálium-karbonát |
600°C felett
|
50%-60%
|
Szilárd Oxidos Cella | pl. Szilárd cirkónium-oxid | 600-1100 °C | 60%-65% |
1Elektromos 2A membrán anyaga nagymértékben befolyásolja |
Az üzemanyegcellák elterjedtebb típusai, működési hőmérsékletük, hatásfokuk
Regeneratív üzemanyagcellákA Regeneratív üzemanyagcella (Regenerative Fuel Cell – RFC) egy olyan üzemanyagcella-rendszer, amely folyamatosan tud működni zárt, visszacsatolódó mechanizmusok révén. Sokan azt remélik az ilyen rendszerektől, hogy megteremthetik a megújuló energiaforrásokon alapuló hidrogéngazdaság alapjait. Az olyan üzemanyagcellák, amelyek energiát, hőt és vizet képesek előállítani oxigénből és hidrogénből, rendkívül széles körben felhasználhatók. A hidrogén és oxigén előállításának egyik legkézenfekvőbb módja a vízbontás a megújuló energiaforrások (szél-, nap- és geotermikus energia) segítségével. Egy ilyen rendszer nem igényel speciális üzemanyagcellákat, azonban működéséhez olyan infrastruktúrára lenne szükség, amely a hidrogént a felhasználás helyéhez juttatja.
Összefoglalás
Miért az üzemanyagcella?
- Elvi hatásfok
- Hőerőgép: Carnot-ciklus = 52%
- Szélerő = 58%
- Üzemanyagcella = 100% (Elektromosság + Hő)
- Szén-dioxid kibocsátás
- Belső égésű motor = 120g/km
- Üzemanyagcella hidrogénnel = 0 g/km
Miért ne az üzemanyagcella?
- Jelenleg az üzemanyagcella ára 1 nagyságrenddel drágább mint a belső égésű motoroké
- A katalizátorhoz szükséges platina mennyisége korlátozott
- Teljesítménysűrűsége alacsonyabb, mint a robbanómotoré
- A hidrogén tárolása és logisztikája jelenleg nincs megoldva