Üzemanyagcella: égés nélküli energiaátalakítás

Üzemanyagcella: égés nélküli energiaátalakítás

Jellemző	AFC	PEMFC	DMFC	PAFC	MCFC	SOFC
Elnevezés	Alkaline Fuel Cell	Proton Exchange Membrane Fuel Cell	Direct Methanol Fuel Cell	Phosphoric Acid Fuel Cell	Molten Carbonate Fuel Cell	Solid Oxide Fuel Cell
Elektrolit	KOH 30-40% vizes oldat	Szulfonált szerves polimer (a működés során hidratálódik)	Szulfonált szerves polimer (a működés során hidratálódik)	Foszforsav	Olvasztott Li/Na/K Karbonát	Ittrium-oxid által stabilizált cirkónium (IV)oxid
Anód	Ni vagy Pt	Pt	Pt, Ru	Pt	Ni/Cr oxid	Ni/ittrium oxid által stabilizált cirkónium (IV)oxid
Katód	Pt vagy LiOH/NiO	Pt	Pt, Ru	Pt	NiO	Stroncium (Sr) doppolt Lantán-manganit (mangán-oxid-hidrát)
Töltéshordozó	OH^–	H^+	H^+	H^+	CO3^2–	O^2–
Működési hőmérséklet	60-90 ^oC	70-100 ^oC	90 ^oC	150-220 ^oC	600-700 ^oC	650-1000 ^oC
Hőtermelés	Alacsony hőmérséklet	Alacsony hőmérséklet	Alacsony hőmérséklet	Mérsékelt hőmérséklet, amely sok alkalmazásnak még megfelel.	Magas hőmérséklet	Magas hőmérséklet
Elektromos hatásfok	60 %	40-45 %	30-35 %	40-45 %	50-60 %	50-60 %
Üzemanyag	H2	H2 Kémiailag tiszta	Víz/metanol oldat	H2 Kémiailag tiszta	H2, CO vagy földgáz	H2, CO vagy földgáz
Megjegyzés	A CO2-ot mindkét gázáramból el kell távolítani.	A CO mennyisége 10 ppm alatt legyen.
Alkalmazás	Apollo és Space Shuttle: elektromoság, ivóvíz előállítására.	GE: Gemini ’60-as évek; Daimler-Chrysler, Ford, GM: „nulla-emisszió”-s autó, busz, 250 kW	Még kevéssé kidolgozott technológia	Az épületek elektromos-ságának és fűtésének megbízható forrása; 50 kW-11 MW	Még kidolgozás alatt, de nagyon bíztató technológia a nagyléptékű és alacsony károsító-anyag kibocsátással járó elektromos energia termelésére.

Üzemanyagcella:_égés_nélküli_energiaátalakítás'>Üzemanyagcella: égés nélküli energiaátalakítás

Alapelvek

Sir William GROVE (1839): Hidrogén és oxigén gáz egy edényben platina katalizátor jelenlétében lassan reakcióba lép, és állandó elektromos áram (feszültség) keletkezik.

Gáz-működtetésű akkumulátor, ahol az aktív elem nem szilárdtest (ólom/ólomoxid az autók akkumulátoraiban) vagy folyadék, hanem gáznemű anyag.

Üzemanyagcella

A víz elektrolízisének megfordítása: nem hasítja a vizet elektromos áram segítségével, hanem éppen ellenkezőleg, összeteszi oxigénből és hidrogénből, és elektromos áramot valamint vizet nyer (némi hőtermelés mellett).

Noha a hidrogén és az oxigén (vagy levegő, amelynek 20%-a oxigén) a két leggyakoribb reaktáns, az üzemanyagcellában más, egymást kölcsönösen redukálni ill. oxidálni képes reaktánst is fel lehet használni.

Az elektródok

• 
  porózusak, hogy a gázok átáramolhassanak és
  
• 
  katalizátorral (platina, palládium, ruténium) bevontak, hogy
  

- az anódon a hidrogén molekula felhasadhasson elektronra és hidrogén ionra (protonra):

H₂ → 2·e^– + 2·H⁺ és

- a katódon a beérkező hidrogén ion és elektron az oxigén molekulával vízmolekulát képezhesen:

4·H⁺ + O₂ + 4·e^– → 2·H₂O

Hidrogén: a jövő energiaforrása (?)

A hidrogén alapú gazdaság víziója

A hidrogén nem primér energiaforrás (hiszen a természetben kötött formában fordul elő nagy mennyiségben), hanem „csak” energiahordozó.

Előnyei:

• 
  Tárolható vele a szezonális (esetleg napszaki) ingadozást mutató energiaforrásokból származó energia.
  
• 
  Szállítható üzemanyag, amely független a Föld csökkenő olajkészleteitől.
  
• 
  Környezetkímélő, hiszen elégetésének mellékterméke a víz és nagyon kis mennyiségű nitrogén oxidok, amelyek mennyisége akár nullára is csökkenthető üzemnyagcella használatával.
  

Hátrányai:

• 
  Elő kell állítani (esetleg tisztítani).
  
• 
  Nagyon reaktív, óvatosan kell kezelni (Hindenburg léghajó katasztrófája 1937-ben)
  
• 
  A térfogatra vonatkoztatott energiasűrűsége (normál körülmények) nagyon csekély:
  

10 MJ/m³, ami negyede a földgázénak,

a tömegre vonatkoztatott energiasűrűsége ellenben nagy:

120 MJ/kg (42 MJ/kg benzin vagy diesel olaj esetén).

Előállítása:

• 
  Hagyományos kémiai technológiával (lásd műtrágyagyártás) földgázból: túlhevített
  (900 ^oC) vízgőzt földgázzal (metánnal) elegyítve áramoltatnak katalizátor felett:
  

2·H₂O (gőz) + CH₄ → CO₂ + 4·H₂

A hidrogént tisztítani kell, a széndioxidot pedig meg kell kötni.

• 
  „Megújuló” (szoláris) technológia (hidrogén):
  
• 
  Elektrolízis
  

Az elektromos áram megújuló forrásokból is nyerhető: nap-, szél-, geotermikus- vagy vízienergia.

• 
  Biomassza gázfejlődése
  

Magas széntartalmú biohulladékot bomlási folyamatoknak teszünk ki.

• 
  Hődisszociáció
  

2000 ^oC felett a víz termikusan bomlik hidrogénra és oxigénre. Megfelelő katalizátorral ez a hőmérsékleti határ azonban 700 ^oC alá vihető, amely már napkollektorokkal elérhető hőmérséklet.

• 
  Mesterséges fotoszintézis
  

Fotoelektrokémiai cellákban a vízből közvetlenül H₂-t nyerhetünk.

Tárolása és szállítása:

• 
  Gáz állapotban nagy-nyomású tartályokban (70 MPa)
  
• 
  Különböző fémekben elnyelve (fém-hidrid formájában). Melegítéssel szabadítható fel.
  

Kis szénszemcsékhez tapadva (adszorbeálva).

• 
  Cseppfolyósítva (–253 ^oC).
  

Földgázt rutin jelleggel cseppfolyósítva szállítanak, de ehhez lényeges magasabb hőmérséklet is elegendő (–162 ^oC).