Tüzelőanyag-elemek : Zöldtechnológia
"A földet nem apáinktól örököltük, hanem unokáinktól kaptuk kölcsön" /David Attenborough/
  • RSS
  • Delicious
  • Digg
  • Facebook
  • Twitter
  • Linkedin
  • Napot a földre: A franciaországi Cadarche-ban épül a világ első kísérleti fúziós erőműve, az ITER. Három évtized és közel 24 milliárd dollárnyi befektetés után a 25 ezer tonnás ITER lassan elhozhatja a Napot ...
  • Tesla üzemanyag nélküli autója:A fizikakönyvek kevésbé foglalkoznak Nikola Teslával, pedig a horvát származású fizikus és villamosmérnök az egyik legnagyobb elme, aki valaha létezett. Számtalan zseniális találmány fűződik a nevéhez, közöttük olyan is, melyre ...
  • Balesetnél sem veszélyes az elektromos Mitsubishi:Könnyedén ment át az ADAC töréstesztjén a Mitsubishi elektromos miniautója, az i-MiEV. Baleset esetén sem fenyeget áramütés veszélye. 15 európai országban kezdődik hamarosan a Mitsubishi elektromos minije, a Citroën C-Zeróval ...
  • Elektromos szörnyeteg, Citroen Survolt:Vad, sportos megjelenésű, elektromos motorral hajtott tanulmány autó a Citroen garázsából Tanulmány autók végeláthatatlan sora jellemzi az idei Genfi Autószalont. A gyártók talán ezzel szemléltetik a világnak, tudnak meglepetéseket is okozni. A ...
  • Egyedülálló fejlesztés a lillafüredi kisvasúton: A világ első keskeny nyomközön járó, hibridhajtású mozdonyát állították üzembe a lillafüredi erdei kisvasúton. Az energiahatékony és környezetbarát mozdony teljes egészében magyar tervezők munkája. A ...
Home » Technológia » Hibrid autók » Egyedülálló fejlesztés a lillafüredi kisvasúton

Tüzelőanyag-elemek

Tüzelő vagy szerelem?

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”.

Hogyan működik?

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

Pórusos elektród ::

A pórusos elektród

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 üzemanyagcellák

A 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
Forrás: fuelcell.hu