A világ energiaigénye egyre nő. Az elektromos energiatermelés elsősorban fosszilis energiahordozók felhasználásán alapul, mely azonban véges erőforrásunk. Csökkenése a jövőben energiaválsághoz vezethet. Az iparosodott országok olajtól való függésén túl – mely a 70-es évek olajválságában erőteljesen megmutatkozott – egyre nagyobb szerepet kapnak az emberi tevékenység környezetromboló hatásának mérséklésére tett globális törekvések. Egy jövőbeli súlyos energiaválság enyhítése esetleg teljes elkerülése, valamint a Föld gyorsan gyarapodó népessége mellett fenntartható fejlődés, az élhető környezet érdekében szükséges egy alternatív energiaforrásokra épülő energiaszektor kiépítése.

A fosszilis energiahordozók felhasználást kiválthatja többek között az üzemanyagcellák szélesebb körű alkalmazása. Használata csökkenti a károsanyag-kibocsátást is. A megújuló energiaforrások (szél, víz, nap) használatával szemben előnye a folyamatos elérhetősége.

Az üzemanyagcella az egyik legrégebbi energiaátalakító technológia. Üzemanyagcellák már a 19. század második felében léteztek, ám fejlesztésüket a 20. század megnövekedett elektromos energia igénye, valamint a fosszilis üzemanyaggal működő járművek aggasztó mértékű környezetszennyező hatása felgyorsította. Főként épületek másodlagos tápellátáshoz használják őket, illetve léteznek üzemanyagcellás járművek (autó, motorbicikli, repülőgép, hajó és munkagépek).

Az üzemanyagcella olyan eszköz, mely kémia energiát alakít át elektromos energiává kémia reakció útján, oxigén vagy egyéb oxidálóanyag segítségével [1]. A leggyakoribb tüzelőanyag a hidrogén, de szénhidrátok (természetes gázok és alkoholok), pl. metanol is használatosak. Többféle üzemanyagcella létezik, de alapvető felépítése mindegyiknek nagyon hasonló: egy anód-katód párból, és a kettő közötti töltésáramlást lehetővé tevő elektrolitból áll. Az elektronok az anód felől egy külső körön át a katód felé vándorolnak, és ezáltal egyenáram keletkezik. Az üzemanyagcellák abban különbözik a telepektől, hogy működésük állandó üzemanyag és oxigénellátást igényelnek.

Az egyes cellák önmagukban csekély mértékű (<1V) elektromos feszültséget adnak le [2]. Ezért több cellát együttesen alkalmazva lehet a megfelelő teljesítményt elérni. Az üzemanyag cellák modularitása nagyfokú rugalmasságot tesz lehetővé.

A cellák típusa a bennük alkalmazott elektrolittól függ.

• alacsony hőmérséklet:
  • Alkáli üzemanyag cella (AFC)
  • Polimer elektrolit üzemanyag cella (PEMFC)
  • Közvetlen metanol üzemanyag cella (DMFC)
• magas hőmérséklet:
  • Olvasztott karbonát üzemanyag cella (MCFC)
  • Szilárd oxid üzemanyag cella (SOFC)

Egy csoportosítási lehetőség a működési hőmérséklet. E szerint léteznek magas (600–1600 C) és alacsony (600 °C alatt) hőmérsékletű cellák

Dízel, metil-alkohol és egyéb hidrogénvegyületek.

Gáz, folyékony.

Az autógyártók egyik kedvelt üzemanyaga a metanol, melyből gázreformálással hidrogént lehet a járműben előállítani.

A gőzreformálás a tömeges hidrogén-előállítás leggyakoribb és egyben legolcsóbb módszere. Magas (700 – 1100 °C) hőmérsékleten fémkatalizátor (nikkel) jelenlétében a vízgőz metánnal reagál, szénmonoxid és hidrogént keletkezik. További hidrogén állítható elő alacsonyabb hőmérsékleten, a szénmonoxid elégetésével.

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

CO + H₂O → CO₂ + H₂

A metanol üzemanyag alkalmazásának több hátránya van. A gázreformálás hatékonysága 65-75%. Az átalakítás miatt nagyobb a válaszidő, valamint az előállított nitrogén jelentős tisztításra szorul az alkalmazhatóság előtt. További hátrány az eljárás magas hőmérséklete, a membránon átjutó metanol okozta kisebb teljesítménysűrűség [3].

Alkohol vagy szénhidrogén üzemanyag esetén a hőmérsékleti integráció bonyolult a magas hőmérsékletű cellák esetén. ???

Az elektromos energia mellett típustól függően víz, hő, nitrogén-dioxid és egyéb gázok keletkeznek. Hidrogén meghajtású üzemanyagcella csak vizet termel.

Az üzemanyagcellák elektromos hatásfoka jobb a hőgépekénél [3]. Az üzemanyagcellák hatásfoka általában 40% és 60% között van [5]. Ha a felszabaduló hőt is hasznosítják, akkor 85%-os hatásfok is elérhető. A hőt erőművekben további elektromos energia termelésére használhatják, vagy biztosítható vele az épület vagy jármű fűtése. Egy belső égésű motor hatásfoka 25% körül van [6].

A polimer elektrolit membránnal működő cella közlekedésben való alkalmazhatósága bizonyított [3]. Ezen kívül a DMFC és az AFC típusokat alkalmazzák közlekedésben, valamint az MCFC és és SOFC típusokat tömegközlekedésben (vonatok, hajók).

Anódreakció: H₂ → 2H⁺ + 2e^-

Katódreakció: 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

Teljes reakció: H₂ + 1/2 O₂ → H₂O

A PEMFC feltehetően le fogja váltani az alkáli cellákat (AFC). Egy 2009-es amerikai felmérés [4] szerint egy 80 kW-os, autókban használt polimer elektrolit membrános üzemanyagcella rendszer költsége (évi 500000 legyártott egységre vetítve) 61 dollár/kW. E költség legalább felére csökkentése szükséges ahhoz, hogy a jövőben a felvehesse a versenyt a jelenlegi piaci technológiákkal, pl. a gázolaj üzemű belső égésű motorral.

Az ár csökkentés egyik módja az olcsóbb katalizátor használata. Jelenleg platinum katalizátor használnak, ez nem megfelelő, jobbat kell találni. Kevésbé drága fémek, nitrogén, szén jó lenne, de túl lassú a reakció.

Előnyök: alacsony működési hőmérséklet, nagy teljesítménysűrűség.

Hátrányok: A membránt hidratálni kell: a vizet olyan ütemben kell porlasztani, amilyen ütemben párolog, különben a cella tönkremegy, illetve nem működik. stb.

…

Hibrid járművekhez alkalmazható az alkáli üzemanyagú cella, ha cirkuláló elektrolitot és tiszta hidrogént használnak.

A tiszta hidrogén beszerzése egyes helyeken nehézkes, így feltehetően csak specifikus felhasználási területe lesz, pl. tömegközlekedésben. Továbbá űrjárművekben esetében ez egy bevett technológia. A személyautók üzemanyag utántöltés cseppfolyósított hidrogénnel oldható meg rövidtávon.

AFC, vagy angol feltalálója után Bacon üzemanyagcella az egyik legfejlettebb technológia. Hidrogén és tiszta oxigénből víz, hő, elektromos áramot termel. Hatékonysága elérhető akár a 70%-ot is. Gyártása ennek a legolcsóbb, mivel az elektródák anyaga sokféle lehet.

Anódreakció: H₂ + 2OH^- → 2H₂O + 2e^-

Katódreakció: O₂ + H₂O + 4e^- → 4OH^-

Az elektrolit vizes alkáli oldattal (pl. kálium-hidroxid) adalékolt porózus mátrix. Ez az oldat nem taszítja? a szén-dioxidot, így a cella szennyeződhet (pl. a KOH kálium-karbonáttá alakul). A szennyeződés eltömi a katód pórusait, és csökkenti az ionos vezetőképességet. A szennyeződés elkerülése érdekében tiszta oxigére, vagy legalább tisztított levegőre van szükség. Ez drágává teszi a technológiát.

Két fő változata van: statikus és folyékony elektrolitos. A folyékony elektrolit cserélhető (ahogy az autóban az olaj), viszont ez a változat nagyobb helyet igényel és kisebb teljesítményű.

A szilárd állapotú AFC egy olyan típus, melyben folyékony elektrolit helyett alkáli anioncserélő membránt alkalmaznak. Ezzel eltűnik a szennyezés problémája.

Létezik metál-hidrid és közvetlen borohidrid cella is.

A világ első üzemanyagcellás hajóha, a HYDRA egy 6,5 kW teljesítményű AFC rendszert használt.

Kereskedelmi forgalomb a nemrég kifejlesztet bi-poláris lemezzel ellátott változat kerülhet, mely teljesítményét tekintve jelentősen meghaladja elődjét, az egylemezes változatot.

Szilárd oxidot használnak elektrolitként. Magas hőmérsékletű (500 °C és 1000 °C). Fő előnye a PEMFC képest a szénhidrogén üzemanyag problémamentes használata. Nincs szükség tiszta hidrogénre, hanem elegendő részben előreformált szénhidrogén, pl gázolaj.

Proton vezető SOFC (PC-SOFC): újabb; itt oxigén ionok helyett protonok jutnak át az elektroliton, így alacsonyabb működési hőmérséklet érhető el.

Nincs szükség drága platina katalizátorra mint PEMFC esetén, Nincs CO katalizátor szennyezés, viszont kénszennyezés lehetséges, ezért a ként szűrni kell.

A közvetett metanol cellában a metanol hidrogénnel reagál, itt viszont a metanolt közvetlenül az anódra adagolják. (Itt nem az elektrolit határozza meg a típust.) Előnye a protonáteresztő membrános cellákkal (PEMFC) szemben felépítésének egyszerűsége.

A mikrobiális üzemanyagcellák egy viszonylag új kutatási terület. A mikrobiális üzemanyagcella bioelektrokémiai alapon működik. A cellában az oxidáció biológiai úton történik: mikrobák szerves anyagot oxidálnak és így termelnek elektromosságot. Egy ilyen cella tipikusan egy anód- és egy katódtérből áll, a két teret pedig egy kationszelektív membrán választja el. Az anódtérben a mikrobák a szerves anyagok lebontása közben elektronokat adnak át az anódnak, amelyek a katód irányába vándorolnak. Eközben a töltéskiegyenlítés céljából a keletkező protonok átdiffundálnak a protonszelektív membránon a katódtérbe. A berendezés működése függ az alkalmazott baktériumkultúrától és tápanyagtól, az anód és katód anyagától és felületétől valamint a hőmérséklettől [2].

Prototípusok: Honda FCX Clarity, Mercedes-Benz F-Cell sb.

Két tankolás között több mint 400 km-t is megtettek már, az üzemanyag újratöltés néhány percig tart.

Elképzelhető, hogy még évtizedeket kell várni a piacképesség eléréséhez. Hidrogén-töltőállomások kellenek.

Az Egyesült államokban 2003-ban indult a Hidrogén Üzemanyag Kezdeményezés programja, mely a hidrogéncellák továbbfejlesztésével és az ahhoz kapcsolódó infrastruktúra kiépítésével a hidrogénautók kereskedelmi forgalomba hozását célozta. A programra milliárd dollár nagyságrendben költöttek. Az Obama-kormány csökkentette a program támogatását, arra hivatkozva, hogy a más járműtechnológiák hamarabb fognak a káros anyag kibocsátás csökkenéséhez vezetni.[7] A kormány szerint a hidrogénautók használata még 10–20 évig nem lesz praktikus.[8]

Auxiliary Power Units (APU) dízelautókba: segédtáp az akkumulátor helyett: autó elektromos berendezéseihez, légkondihoz, stb.

Az üzemanyagcellás autó prototípusokba protonáteresztő membránt és elektromos meghajtást építenek. E cellák járművek hajtására alkalmasak magas teljesítménysűrűségük és, kis méretük, csekély tömegük és alacsony (100 °C alatti) működési hőmérsékletük miatt. Megbízhatóság, ár…

A járművekben csak korlátozott hely áll rendelkezésre az üzemanyagcella kialakításához, és kritikus a reakciók gyors beindulása is.

Meg kell oldani a cella azonos hőmérsékleten tartását, a hő elvezetését. A cellának -35 °C és 40 °C között megbízhatóan kell működni, indulni.

Noha kereskedelmi forgalomban jelenleg nincsen kizárólag üzemanyagcellával hajtott autó, az üzemanyagcellás járműveknek van jövője, elsősorban nagy elektromos hatásfokuk miatt. Mára számos kutatócsoport foglalkozik az üzemanyagcellák továbbfejlesztésével: többek között új membránok (PEMFC és DMFC) kutatásával, katalizátorok hatékonyságának növelésével, ármlásmező-szerkezetek és hátlapok optimalizálásával. A jövő feladata az üzemanyagcellákban lejátszódó komplex folyamatok, kölcsönhatások jobb megértése, és a járműmeghajtáshoz ideális cellák kifejlesztése.

http://www.biblio.com/books/436308472.html [1]

http://veab.mta.hu/upload/file/VajdaB(1).pdf [2]

http://www.alternativenergia.hu/kategoriak/technologiak/zold-auto/hidrogen-uzemanyagcella

[1] R.S. Khurmi, R.S. Sedha: Materials Science. S. Chand & Company Ltd., 2010.

[2] Vajda B., Nemestóthy N., Bélafiné Bakó K.: Mono és kevert kultúrájú mikrobiális üzemanyagcellák. Veszprém, Pannon Egyetem; Biomérnöki, Membrántechnológiai és Energetikai Kutató Intézet

[3] L. Carrette, K. A. Friedrich, U. Stimming: Fuel Cells – Fundamentals and Applications. 2001. , 1: 5–39. doi: 10.1002/1615-6854(200105)1:1<5::AID-FUCE5>3.0.CO;2-G

[4] Jacob Spendelow, Jason Marcinkoski: Fuel Cell System Cost 2009, Department of Energy, USA

[5] Comparison of Fuel Cell Technologies. 2011, U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Fuel Cell Technologies Program

[6] Fuel Economy: Where The Energy Goes. 2011, U.S. Department of Energy, Energy Effciency and Renewable Energy

[7] Chu Steven: Winning the Future with a Responsible Budget. 2011, U.S. Department of Energy

[8] Matthew L. Wald: U.S. Drops Research Into Fuel Cells for Cars. 2009, New York Times