Üzemanyagcella

A tüzelőanyag-elem (más néven tüzelőanyag-cella vagy üzemanyagcella)^[1] egy kémiai áramforrás, amelyben az áramtermelő folyamat valamilyen tüzelőanyag (pl. földgáz, gázolaj, szén, hidrogén, alkohol ) oxidációja. A tüzelőanyag-elemek annyiban különböznek a galvánelemektől, hogy működésük közben az áramtermelő reakcióban részt vevő anyagokat folyamatosan táplálják be, a keletkező termékeket pedig elvezetik, így, szemben a galvánelemekkel, nem „merülnek ki”. A hagyományos hőerőgépeknél sokkal nagyobb hatásfokkal képesek a kémiai energiát elektromos energiává alakítani (vagy fordítva), és jelentősen kisebb a károsanyag-kibocsátásuk (sőt esetenként nincs is).

Története

Az üzemanyagcellát Sir William Robert Grove walesi kutató találta fel 1838-ban.^[2]

Működése

Az üzemanyagcellában az elektrolízissel éppen ellentétes folyamat zajlik le: kémiai energiából elektromos energia keletkezik. A cella legtöbbször két elektródából, az anódból és a katódból áll, a köztük lévő anyag az elektrolit. Hatásfoka jelentősen nagyobb, mint a belsőégésű motoré, kb. 60%, míg üzemi hőmérséklete 80 °C is lehet.

Fajtái

Protoncsere-membrános cella

Direkt metanolmembrános cella vagy direkt metanolcella (DMFC)

Kifejlesztése Oláh György és mások (Surampudi, Narayanan, Vamos, Frank, Halpert, Prakash) nevéhez fűződik. Üzemanyaga metanol, ami jelenleg könnyebben előállítható és tárolható anyag, mint a hidrogén. [U.S. Pat. No. 5,599,638; 5,928,806; etc.] A szabadalmi leírások többnyire tartalmazzák, hogy légköri szén-dioxid közvetlen felhasználására nem alkalmas.

Rendkívüli jelentőségét 4 körülmény adja:

elégetésekor csak szén-dioxid és víz keletkezik (a fosszilis üzemanyagok elégetése során egy sor egyéb anyag is keletkezik, köztük környezet- és természet-károsítók is);
700 bar nyomáson is tárolható (versenytársa, a hidrogén olyan apró atomokból áll, amelyek már 300 bar nyomáson is átdiffundálnak az acélfalon);
mindkét irányban működik (áramot tárolhatunk és vissza is nyerhetünk vele);
az áramtermelő módban keletkező CO₂ tömény, sűríthető (és áramtárolás során újrahasznosítható); emiatt pl. napelemes energiarendszerek teljes mértékben függetleníthetők a meglévő villamoshálózattól, miközben az energiarendszer nem bocsát ki szén-dioxidot (emissziómentes villamosenergia-rendszer, EESWE).

Hátrányos tulajdonsága, hogy gyors változást (pl. gépjárművezetés során a gázadást, fékezést) nem tud követni, emiatt legalább 1 db átmeneti tároló – akkumulátor – szükséges (ami miatt a jelenlegi elektromotoros autókban levő bődületes akku-mennyiség az 1/1000 alá csökken majd). Bár elektromos hatásfoka szerény, jelentős hőszigeteléssel és a maradékhővel további áram termelhető; ilyen irányú kísérletek számos országban folynak.

Kiemelkedő jelentősége van a globális felmelegedés (Global Warming, GW) visszafordításában: segítségével olyan napelemes áramtermelés és egyúttal olyan EV-autós szállítás ill. közlekedés alakítható ki, amelyeknek egyetlen gramm szén-dioxid-emissziójuk sincsen (a keletkező tömény szén-dioxid – a hidrogéncellákhoz kifejlesztett 700 baros tárolással – visszaforgatható ill. újrahasznosítható: amikor metanolt tankol az EV-autó, annak molárisan megfelelő mennyiségű tömény szén-dioxidot ad le a kútnál, hisz a metanolból – áramtermelés közben – szén-dioxid lesz, amit az EV-autó sűríthet és magával vihet, ahelyett, hogy a légkörbe bocsátaná).^[forrás?] Ha a napelemes áramtermelés osztott, vagyis az áramszolgáltató családiházak tetejét bérli e célra (és nem koncentrált, mint a túlzott hőszennyezéssel környezetterhelő naperőművek), akkor a hőszennyezése is osztott (és nem koncentrált); ez a körülmény igen jelentős, hisz pl. a paksi atomerőmű koncentrált hőszennyezése elsivatagosítja a Kárpát-medence legjobb búzatermő területeit, míg ha az első paksi beruházási programot valósítják meg minimum 190 ezer hektárnyi üvegházzal és a hőszennyezés osztott lett volna, akkor ilyen aszálykár nem lépett volna fel a Duna-Tisza közén.^[forrás?]

Jövőbeli elterjedését befolyásolja a) az új cellákhoz szükséges szén-dioxid eredete, mert ma a szén-dioxid előállítása túlnyomórészt – 95%-ban -, fosszilis eredetű, ami környezetromboló (túlzott üvegházhatású, globális melegítő); b) a hidrogén-üzemű cellákhoz kötődő megélhetési "szemellenző". ^[3]^[4]

Alkalmazása

Az űrkutatásban és a haditechnikában évtizedek óta használják energiaforrásként. Napjainkban járművekbe és számos elektronikus berendezésbe is beépítik. A direkt metanolmembrános cella napelemek energiatárolásában is egyre nagyobb jelentőségű. Irányközömbössége folytán a légköri szén-dioxid kivonásában (víz és napelemes áram segítségével metanollá és oxigénné alakításában, majd a metanolnak földalatti tározókba visszasajtolásában) feltehető a jövőbeli legfontosabb szerepe (a jelenlegi 400-410 ppm légköri CO₂-tartalomnak az eredeti 270 ppm-re csökkentésében, néhány száz év alatt).

Környezeti hatások

Az üzemanyagcellák jelenleg legelterjedtebb típusai hidrogént használnak üzemanyagként, ami a reakció végén vízzé alakul vissza, azaz üzem közben nem jár szén-dioxid-kibocsátással. Hatásfokuk magasabb, mint a belsőégésű motoroké. Jelenleg a cellákba épített katalizátor anyaga platinát tartalmaz, ami a természetben csak korlátozottan érhető el.

Biztonság

Az üzemanyagcella technológia biztonságát és alkalmazhatóságát több szabvány biztosítja Magyarországon is. Az üzemanyagcellákhoz kapcsolódó érvényes szabványok az MSZ EN 62282 sorozatba tartoznak.