Üzemanyagcella

Metanollal működő üzemanyagcella

A tüzelőanyag-elem (más néven tüzelőanyag-cella vagy üzemanyagcella) 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.

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

Direkt metanol membrános cella

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 széndioxid közvetlen felhasználására nem alkalmas.

Rendkívüli jelentőségét két körülmény adja:

- mindkét irányban működik (áramot tárolhatunk és vissza is nyerhetünk vele);

- az áramtermelő módban keletkező CO2 tömény, sűríthető (és áramtárolás során újrahasznosítható); emiatt pl. napelemes energia-rendszerek teljes mértékben függetleníthetők a meglévő villamos-hálózattól, miközben az energia-rendszer nem bocsát ki széndioxidot.

Hátrányos tulajdonsága, hogy gyors változást (pl. gépjármű-vezetés során a gázadást, fékezést) nem tud követni, emiatt legalább 1 db átmeneti tároló - akkumulátor - szükséges. 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: a segítségével olyan napelemes áramtermelés és egyúttal olyan EV-autós szállítás ill. közlekedés alakítható ki, amelyeknek egyetlen gramm széndioxid-emissziójuk sincsen (a keletkező tömény széndioxid - a hidrogéncellákhoz kifejlesztett 700 bar-os tárolással - visszaforgatható ill. újrahasznosítható: amikor metanolt tankol az EV-autó, annak molárisan megfelelő mennyiségű tömény széndioxidot ad le a kútnál, hisz a metanolból - áramtermelés közben - széndioxid 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 az új cellákhoz szükséges széndioxid eredete. Ma a széndioxid előállítása túlnyomórészt fosszilis eredetű, ami környezetromboló (túlzott üvegházhatású, globális melegítő). A biológiai eredetű széndioxid - bioszéndioxid - túlnyomórészt biogáz-üzemekben állítható elő (a keletkező TÖMÉNY széndioxidot - ami az aranynál értékesebb - nem szabad a levegőbe elengedni, mint "szennyezőt", hanem metanolcellák indításához kell felhasználni). A biogáz-üzemeknél jóval kisebb jelentőségű a borászatban előállított tömény bioszéndioxid, azt inkább csak széndioxiddal dúsított italokhoz lehet fölhasználni.

Alkalmazása

Az űrkutatásban és a haditechnikában évtizedek óta használják energiaforrásként. Napjainkban járművekbe és számos elektronikus berendezésbe is beépítik. A direkt metanol membrános cella napelemek energia-tárolásában is egyre nagyobb jelentőségű. Irány-közömbössége folytán a légköri széndioxid kivonásában (víz és napelemes áram segítségével metanollá és oxigénné alakításában, majd a metanolnak földalatti tározókba vissza-sajtolásában) 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.

Források

• Első Magyar Üzemanyagcella Portál
• Alternatív energia.net - Üzemanyagcella ‑ hozzáférés: 2012. december 25.

További információk

• Magyar Energia Társaság Hidrogén Tagozat
• Zöldautó.info - Tüzelőanyag-cella
• Hidrogén hajtású autók és közlekedési eszközök - H2info.hu
• Papp Tibor: BMW Innovation Days 2015 - tüzelőanyag-cella. Totalcar, 2015. július 17. (Hozzáférés: 2015. július 19.)