Mi az üzemanyagcella? Hidrogén, működés és alkalmazások röviden
Ismerd meg az üzemanyagcella működését, a hidrogén előállítását és gyakorlati alkalmazásait rövid, érthető összefoglalóban — zöld energia és hidrogéngazdaság áttekintés.
Az üzemanyagcella olyan elektrokémiai eszköz, amely az üzemanyag és a levegő (valójában az oxigén) reakciójából származó energiát közvetlenül villamos energiává alakítja. A folyamat során tipikusan víz keletkezik, és bizonyos üzemanyagok (szénhidrogének) esetén szén-dioxid is felszabadulhat. Az üzemanyagcellák leggyakrabban hidrogént használnak, amely ha közvetlenül az oxigénnel reagál, csak vizet eredményez. Működésükben hasonlítanak egy akkumulátor működésére, de ellentétben azzal, hogy egy akkumulátorral szemben az üzemanyagcellát folyamatosan lehet táplálni üzemanyaggal, ezért elméletileg addig szolgáltatnak energiát, amíg van üzemanyag.
Hogyan működik egy üzemanyagcella?
Az üzemanyagcella alapvetően két elektródából (anód és katód) és egy elektrolitból áll. Az üzemanyag (például hidrogén) az anódon adja le az elektronjait és protonjait; az elektronok külső áramkörön keresztül áramlanak, ezzel elektromos áramot szolgáltatva, míg a protonok az elektroliton keresztül jutnak el a katódhoz. A katódon az oxigénnel (a levegőből) egyesülve vízzé alakulnak. A reakció tehát elektrokémiai, nem égés: emiatt zajlik alacsonyabb veszteségekkel és csendesebben, mint a hagyományos belsőégésű motorok.
Típusok
- PEMFC (proton-vezető membrános üzemanyagcella) – alacsony hőmérsékleten működik, gyors indításra és járművekhez ideális.
- SOFC (szilárd-oxid üzemanyagcella) – magas hőmérsékleten üzemel, jó hatásfokú és alkalmas széles üzemanyagra; elsősorban állandó, állomásozó alkalmazásoknál használják.
- AFC (alkáli üzemanyagcella) – jó hatásfok, de érzékeny a levegő szennyeződésére.
- PAFC, DMFC és más típusok – speciális körülményekre optimalizálva (pl. metanolról üzemelő cellák).
Hidrogén előállítása és környezeti szempontok
A hidrogéngazdaság fontos eleme az üzemanyagcellák elterjedésének, de a hidrogén előállításának módja döntően befolyásolja a környezeti hatást. A hidrogén előfordul ugyan olyan anyagokban, mint a metán, a víz vagy a biogázból nyert gázok, de minden esetben energiára van szükség a kinyeréséhez. Két gyakori előállítási mód:
- Gőzreformálás – sok tüzelőanyagból (pl. földgáz) a hidrogén leválasztható, de ez a folyamat szén-dioxid kibocsátással jár, ha a kibocsátást nem kezelik elkülönítéssel (CCS).
- Elektrolízis – vízbontással állítható elő hidrogén; ha az elektrolízishez használt energia nap- vagy szélenergiából származik, akkor a keletkező hidrogén alacsony vagy nulla szén-dioxid-kibocsátású, és környezetbarát megoldásnak tekinthető.
Ezenkívül a hidrogén előállítható megújuló biogázból is, amikor a kibocsátott szén a természetes szénkörforgás része, tehát nem fosszilis eredetű.
Alkalmazások
- Közlekedés: személyautók, buszok, teherautók és vonatok üzemanyagcellás hajtással; előny a gyors tankolás és hosszú hatótávolság.
- Állandó energiaellátás: épületek és ipari létesítmények kombinált hő- és villamosenergia-ellátása (CHP).
- Tartalék- és vészhelyzeti áramforrások: megbízható, csendes tartalékenergia kritikus létesítmények számára.
- Hordozható eszközök és speciális járművek: drónok, katonai alkalmazások, tengerjáró hajók és repülőgép-kísérletek.
- Ipari felhasználás: vegyiparban, például ammónia- és üzemanyag-előállításban.
Előnyök és korlátok
- Előnyök: magas hatásfok, csendes működés, alacsony helyi szennyezés (hidrogén esetén csak víz), gyors újratöltés/tankolás, rugalmas méretezhetőség.
- Korlátok: a hidrogén előállítása jelenleg költséges lehet; infrastruktúra (tankolás, tárolás, szállítás) még fejlesztés alatt áll; a cellák anyagai és a tartósság továbbra is kihívást jelentenek; ha a hidrogén fosszilis forrásokból származik, akkor a környezeti előny korlátozott.
Biztonság és tárolás
A hidrogén könnyebb a levegőnél és széles gyulladási határral rendelkezik, ezért a tárolás és a szállítás speciális eljárásokat igényel. Gyakori megoldások a sűrített gázként (nagynyomású tartályokban), folyékony hidrogénként (alacsony hőmérsékleten) vagy vegyületekben/ötvözetekben történő tárolás (pl. fémhidridek). Fontos a megfelelő szellőzés, szivárgásérzékelők és biztonsági előírások betartása.
Kitekintés
Az üzemanyagcellák és a hidrogéntechnológia gyorsan fejlődnek: csökkennek a költségek, javul a tartósság, és növekszik az alkalmazások köre. A környezeti előnyökhöz azonban elengedhetetlen a tiszta, megújuló forrásból származó hidrogéntermelés és a megfelelő infrastruktúra kiépítése. Összességében az üzemanyagcellák fontos szerepet játszhatnak a karbonsemleges energiapiac felé vezető átmenetben.
Közvetlen metanolos üzemanyagcella. A tényleges tüzelőanyagcella-köteg a kép közepén látható kétkockás réteges struktúra.
Hogyan alakítsuk át az energiát
A víz olyan molekula, amely egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll. A víz oxigénre és hidrogénre való szétválasztásához energiára van szükség, és energia szabadul fel, amikor ezek vízként újra összeállnak. Az üzemanyagcella a hidrogént és az oxigént úgy hozza újra össze, hogy az energiát elektromosság formájában szabadítja fel.
Az üzemanyag (az energiaforrás, általában hidrogén) és a levegő (amely az oxigént tartalmazza) az üzemanyagcella ellentétes oldalaira kerül. Az üzemanyagcella közepén két fémlemez, az úgynevezett elektródák között egy "képernyő", az úgynevezett elektrolit található, amely az üzemanyagot és a levegőt elkülöníti egymástól. A különböző típusú üzemanyagcellák a nevüket az alapján kapták, hogy milyen típusú képernyőt használnak az üzemanyag és a levegő szétválasztására. Az ernyő csak bizonyos töltésű molekulákat, más néven ionokat enged át rajta.
Az ionok létrehozásához elektronokat kell a rendszer egyik oldaláról a másikra juttatni. Az elektronokat az üzemanyag oldalán lévő fémlemez választja le az üzemanyagról, és a reakció befejezéséhez a levegő oldalára kell eljutniuk. Mivel a képernyő nem engedi át az elektronokat, azok egy külön vezetéken keresztül jutnak el a levegő oldalán lévő másik fémlemezhez. Az elektronok utazása elektromos áramot (elektromosságot) hoz létre. A drót az a hely, ahol az elektromosság felhasználható. A drótot például félbe lehet vágni, és a két fél közé egy villanykörtét lehet csatlakoztatni.
Eközben az ionok áthaladnak a képernyőn, és reakcióba lépnek a molekulákkal (amelyek már a másik oldalon vannak) és az elektronokkal (amelyek a huzalon keresztül haladva energiát adnak le az elektronika működtetéséhez) a másik oldalon. Víz keletkezik (és az üzemanyag típusától függően esetenként más termékek is), amely a kipufogócsövön keresztül távozik.
Hatékonyság
Az üzemanyagcellák oxigén és hidrogén egyesítésével termelnek áramot. A hatásfok nagyon jó (kb. 40-70%). A maximális hatásfokuk 83%, ha a reakció során a kipufogógáz hőjét is felhasználják. Az üzemanyagcellák különböző üzemanyagokat is használhatnak, például földgázt, metanolt, LPG-t (folyékony propángázt), naftát, kerozint stb.
Jellemzők
Az üzemanyagcellák egyes típusai csak vizet termelnek, ami azt jelenti, hogy nem szennyezik a környezetet. A legtöbb üzemanyagcella-típus sokkal kevesebb károsanyag-kibocsátással jár, mint a klasszikus ("kalorikus") energiatermelés. Ugyanazokat az üzemanyagtípusokat fogyaszthatják, mint a klasszikus áramfejlesztők, például a dízelmotorok, de körülbelül kétszer olyan hatékonyak, ami azt jelenti, hogy feleannyi üzemanyaggal ugyanannyi energiát tudnak előállítani, és így legalább feleannyi szennyezést. Ezenkívül a közvetlen átalakítású üzemanyagcellák használata esetén kisebb a kockázata annak, hogy olyan másodlagos kibocsátások keletkeznek, mint az NOx, az SOx és a részecskék, amelyek az égés mellékhatásai, hozzájárulnak a globális felmelegedéshez, és kritériumszennyező anyagként ismertek.
Az üzemanyagcellák nagyon csendesek. Nincsenek mozgó alkatrészeik, eltekintve néhány ventilátortól, amelyek a levegőt és a vizet mozgatják, ami azt jelenti, hogy nagyon ritkán van szükségük javításra, azonban néhány nagy üzemanyagcella, amelyet például épületek energiaellátására használnak, meglehetősen törékeny lehet.
A nagyon alacsony szennyezőanyag-kibocsátás miatt az üzemanyagcellákat gyakran használják olyan járművekben, amelyek épületeken belül közlekednek, például targoncákban. Mivel nagyon csendesek, egyes katonai tengeralattjárókon is használják őket, hogy elkerüljék az észlelést. Az üzemanyagot hatékonyabban használják fel, ami azt jelenti, hogy az üzemanyagcellák hosszabb ideig működhetnek új üzemanyag beszerzése nélkül. Ez lehetővé teszi, hogy nehezen megközelíthető helyeken, például időjárási vagy kutatóállomásokon, űrhajókon vagy katonai bázisokon is használhatók legyenek.
Mivel az űrhajókat tiszta hidrogént és oxigént tartalmazó rakétákkal indítják, a fedélzeti villamos energiát nagyon hatékony üzemanyagcellák segítségével állítják elő, amelyek képesek ezeket az üzemanyagokat felhasználni. Ezenkívül az űrhajók üzemanyagcellái tiszta vizet termelnek a kipufogójukon, amelyet fel lehet fogni, és ivóvízként lehet használni az űrhajósok számára, vagyis semmi sem megy kárba.
Az üzemanyagcellák típusai
Az üzemanyagcellákat a belső képernyő (elektrolit) típusa szerint lehet osztályozni. A foszforsavas üzemanyagcellák például alacsony hőmérsékletre valók. Ezt használják a mobiltelefonokban és a nagy áramerősséget igénylő gépjárművek tápegységeiben, mert sokkal biztonságosabb. Az alkáli üzemanyagcellák általában kálium-hidroxidot (KOH) tartalmaznak. A metanol üzemanyagcellákat metanol elektrokémiai reakciójával használják. Ez a fajta üzemanyagcella jobb választás egyszerűbb rendszerekhez. A metanol üzemanyagcellák azonban alacsony kimeneti sűrűségűek, mivel a reakciósebesség lassú.
Az üzemanyagcellák néhány fontos típusa:
- Foszforsavas üzemanyagcella (PAFC) - A foszforsavas üzemanyagcellák ma már kereskedelmi forgalomban kaphatók. Ezek a legelterjedtebb üzemanyagcellák a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésben.
- Protoncserélő membrános üzemanyagcella (PEM) - Ezek az üzemanyagcellák viszonylag alacsony hőmérsékleten (kb. 175 °F) működnek, nagy teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, teljesítményük gyorsan változtatható, hogy megfeleljenek az energiaigény változásainak, és alkalmasak olyan alkalmazásokhoz, például gépjárművekben, ahol gyors indításra van szükség. Az összes kereskedelmi forgalomban kapható üzemanyagcellás jármű ezt a típust használja. Az ilyen üzemanyagcellák hátránya, hogy nagy tisztaságú hidrogént igényelnek, amelynek előállítása költséges.
- Olvasztott karbonátos üzemanyagcella (MCFC) - Ezek az üzemanyagcellák nagyon magas hőmérsékleten működnek, ami lehetővé teszi, hogy összetettebb üzemanyagokat, például földgázt alakítsanak át hidrogén üzemanyaggá, amelyet maga a cella használhat fel. Ezek indítása és leállítása több órát vesz igénybe, ezért csak olyan alkalmazásokban használják őket, ahol folyamatosan üzemelhetnek, például nagy épületek/üzletek helyhez kötött energiaellátásában.
- Mikrobiális üzemanyagcella (MFC) - Olyan üzemanyagcella, amely a szerves szubsztrátokat oxidációsredukciós reakciók segítségével szerves szubsztrátokat alakít át elektromos energiává.
Alkalmazások
Az üzemanyagcelláknak számos felhasználási módja van - a nagy autógyártók üzemanyagcellás autók forgalmazásán dolgoznak. A Toyota és a Honda piacra dobta a Mirai és a Clarity modellt. Az üzemanyagcellák buszokat, hajókat, vonatokat, repülőgépeket, robogókat, targoncákat és kerékpárokat hajtanak. Léteznek üzemanyagcellás automaták, porszívók és autópálya-jelzőtáblák. Előre jelzik a mobiltelefonok, laptopok és hordozható elektronikai eszközök miniatűr üzemanyagcelláit. Kórházak, hitelkártya-központok, rendőrőrsök és bankok üzemanyagcellákkal látják el energiával létesítményeiket. A szennyvíztisztító telepek és a hulladéklerakók az általuk termelt metángázt alakítják át villamos energiává. Az üzemanyagcellákat már régóta használják a világűrben. A távközlési vállalatok mobiltelefon-, rádió- és segélyhívó tornyokban használnak üzemanyagcellákat.
Kérdések és válaszok
K: Hogyan termel áramot egy üzemanyagcella?
V: Az üzemanyagcella úgy termel áramot, hogy az üzemanyagot levegővel keveri, és olyan reakciót hoz létre, amely energiát szabadít fel, és közben víz és néha szén-dioxid keletkezik.
K: Mi az üzemanyagcellákban leggyakrabban használt üzemanyag?
V: Az üzemanyagcellákban leggyakrabban használt üzemanyag a hidrogén.
K: Miben különbözik az üzemanyagcella az akkumulátortól?
V: Az üzemanyagcella abban különbözik az akkumulátortól, hogy folyamatosan üzemanyaggal táplálják, így soha nem merül ki, amíg elegendő üzemanyag áll rendelkezésre.
K: Mi a hidrogéngazdaságosság?
V: A hidrogéngazdaság a hidrogén üzemanyagforrásként való felhasználására utal, hogy csökkentse a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőséget.
K: Hogyan állítják elő a hidrogént?
V: A hidrogén előállítható a gőzreformálásnak nevezett eljárással, vagy kivonható vízből az elektrolízisnek nevezett eljárással.
K: Mi történik, amikor a hidrogént leválasztják a fosszilis tüzelőanyagokról?
V: Amikor a hidrogént leválasztják a fosszilis tüzelőanyagokról, szén-dioxid szabadul fel.
K: Lehet-e hidrogént úgy előállítani, hogy az ne okozzon károsanyag-kibocsátást?
V: Igen, ha a hidrogén előállításához használt energia megújuló forrásokból, például nap- vagy szélerőművekből származik, akkor az előállított hidrogén jótékony hatású, mivel nem bocsát ki károsanyagokat. A hidrogén megújuló biogázból is leválasztható, ami azt jelenti, hogy a kibocsátott szén nem fosszilis eredetű, tehát a természetes szénkörforgás része.
Keres