Üzemanyagcellák: így működik a tiszta energiagyár

A villamos energia napjainkban a legsokoldalúbb és legtisztább energiaforma. Bár a termelés és felhasználás hatékonysága rendkívüli módon növekszik, mégis sokszor úgy látszik, hogy az emberiség egyre növekvő energiaétvágyával csak időlegesen képesek lépést tartani a kutatók. Erre lehet megoldás a 170 éves tüzelőanyag-elem.

Mára már sokan felismerték, hogy a jövőben a megújuló energiahordozókkal lehet a legkönnyebben elérni azt a célt, hogy "tisztán" jussunk elektromos energiához. Sajnos az időjárás változékonysága komoly problémát jelent a szél- és napenergia termelésben (főleg a mérsékelt éghajlaton), mivel az elektromos hálózat nem mindig lehet képes az ingadozások okozta energiatöbblet felvételére. Többek között erre a problémára kínálnak megoldást a tüzelőanyag-elemek.

Tüzelőanyag-elemek és üzemanyagcellák: a lényeg ugyanaz

A "fuel cell" kifejezés magyarításának legtöbben az "üzemanyagcella" kifejezést használják, ám több helyen a "tüzelőanyag-elem" illetve "tüzelőanyag-cella" is megjelenik. Tudományos körökben az "üzemanyagcella" kifejezés elsősorban a közlekedési eszközökben alkalmazott áramforrásokra utal, az angol kifejezés hivatalos magyar kémiai fordítása pedig a "tüzelőanyag-elem".

Sir William Robert Grove (1811-1896) jött rá arra - akinek személyében a tüzelőanyag-elemek atyját tiszteljük -, hogy a reakciót galváncellákban szobahőmérsékleten igen jó hatásfokkal tudjuk energiatermelésre felhasználni. 1838-ban vette észre azt, hogy ha vizet elektrolizál, az alkalmazott áram kikapcsolása után ellenkező irányú áram kezd el folyni.

^{Így működik a tüzelőanyag-elem (a fuelcell.hu szíves engedélyével)}

A tüzelőanyag-elemek vegyi reakciók során közvetlenül elektromos energiát állítanak elő, akárcsak az alkáli elemek. A legnagyobb különbség azonban az, hogy míg az alkáli elemek lemerülésük után már használhatatlanok, addig a tüzelőanyag-elemek addig üzemelnek, amíg üzemanyagot biztosítunk számukra.

A cellák legnagyobb előnye, hogy könnyűek, nem tartalmaznak mozgó alkatrészt, és működésük során nem történik hagyományos értelemben vett égés. Mindezért megbízhatóságuk nagyon magas. Egyes becslések szerint ez 99,9999%-os rendelkezésre állással egyenlő, ami egy üzemanyagcella hat éves működési periódusában mindössze egy perc hibás működést jelent. Az tüzelőanyag-elemeket napjainkban már széles körben alkalmazzák elektromos áram előállítására hordozható készülékektől erőművekig. Sikerrel alkalmazták különleges körülmények között is, mint űrjárművek, meteorológiai állomások vagy bizonyos katonai létesítmények, eszközök működtetéséhez, szünetmentes áramellátásához.

A kutatók az elmúlt 170 évben számos tüzelőanyag-elem típust fejlesztettek ki. A normál hőmérsékleten működőek könnyen elviselik a sorozatos be- és kikapcsolást, amely előnyös például gépjárműveknél, míg a magas hőmérsékleten üzemelők elsősorban folyamatos üzemben, leginkább erőművekben és más ipari alkalmazásokban használhatók.

A tüzelőanyag fajtáját, az elektrolit és más komponensek minőségét, valamint a felépítésüket tekintve jelenleg számos, különböző típusú tüzelőanyag-elemet ismerünk, azonban működésük alapelve minden esetben megegyezik.

A leggyakrabban használt és a legnagyobb érdeklődésnek örvendő típus a protoncsere-membrános tüzelőanyag-elem (PEMFC). Két elektródából (anódból és katódból) és a köztük lévő szilárd elektrolitból (protoncsere-membránból) áll. 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 hasznosíthatóak. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénnel, így víz jön létre.

Versenyképes alkalmazások

A vízfelszín mellett már a víz alatt is használnak üzemanyagcellákat. A tengeralattjáró-fejlesztések egy része a minél nagyobb teljesítményű akkumulátorok megalkotását tűzte ki célul, azonban sokkal valószínűbb, hogy a jövőt a levegőfüggetlen erőforrások (AIP) jelentik. Ezek lényege, hogy a tengeralattjáróknak a víz alatt - a korábbi megoldásokhoz hasonlóan - ugyanúgy akkumulátorok és elektromotor biztosítja a meghajtást, azonban az akkumulátorok feltöltésére a víz alatt is van lehetőség. Az egyik legelterjedtebb megoldás az üzemanyagcellák használata. Erre az egyik legkiválóbb példa a német Type 212 tengeralattjáró, melynek működését biztosító protoncsere-membrános cellát a szintén német Siemens cég gyártotta.

^{Az üzemanyagcellás Type 212 tengeralattjáró}

Természetesen a közlekedésben használt üzemanyagcellák a levegőben is képesek megállni a helyüket. A légi közlekedés szempontjából a legnagyobb előnyük, hogy nincs vagy csak nagyon alacsony a károsanyag-kibocsátásuk, és nagyon halkan működnek. Többek között ez utóbbi miatt is mutat nagyfokú érdeklődést irántuk a hadiipar. További előnyeik hadászati szempontból, hogy viszonylag alacsony a működési hőmérsékletük, és viszonylag nagy repülési magasságokat képesek elérni.

A legújabb fejlesztések

A cellák egyik legújabb hasznosítási módja az ún. kogenerációs erőművek építése. E berendezések a hő- és a villamosenergia-termelést ugyanabban a berendezésben, ugyanabból az energiaforrásból végzik. Ezek az eszközök képesek ellátni családi házak, irodaházak, gyárak elektromosenergia-, fűtés-, illetve melegvíz-szükségletét is.

A magyarországi Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal által támogatott ReCoMend projekt célja egy hasonló, hidrogénnel működő regeneratív, kogenerációs kiserőmű kifejlesztése, amely környezetbarát módon válthatja ki a jelenleg használatos gázmotorokat. A regeneratív tüzelőanyag-elem olyan új típusú megoldás, amely képes hidrogén termelésére is (ezáltal energiát raktározva el), és áramtermelési igény esetén képes a hidrogénben tárolt kémiai energia elektromos energiává történő átalakítására.

A regeneratív tüzelőanyag-elemek kutatása a világban is csak most kezd beindulni. Egy ilyen termék a decentralizált energia-hálózatok egyik fő komponense lehet: ugyanis az energia átmeneti raktározásával csökkenti az elektromos hálózatban az ingadozást, lehetővé teszi nagyobb mennyiségű megújuló energiaforrás használatát, nagyobb hatásfokkal alakítja át az elektromos energiát, mindazonáltal csendesebb és szinte teljes mértékben környezetbarát működést biztosít. A hidrogén alkalmazásával nemzetgazdasági szinten is csökkentheti az egyre drágább fosszilis és energiahordozóktól való függőséget. A prototípus fejlesztésében az Eötvös Loránd Tudományegyetem FuelCell.hu kutatócsoportja mellett magyar cégek (STSGroup Zrt., MooL Invest Kft.) is részt vesznek.

Szabó Tamás
meteorológus