Hogyan működik a hidrogén- és tüzelőanyag-cellás technológia?

A MET Hidrogén Tagozat vezetősége kidolgozott egy érdekes eljárást a hidrogén és tüzelőanyag-cellák otthoni hasznosítására.

A hidrogén-energetika a hidrogén és tüzelőanyag-cellás technológiák (a továbbiakban HFC technológiák) összességét jelenti, a hidrogén előállítását, szállítását, tárolását és felhasználását magában foglaló teljes értéklánc mentén. A hidrogén értékláncok technológiai elemei közül kiemelt fontosságúak a tüzelőanyag-cellák (vagy más néven üzemanyag-cellák, tüzelőanyag-elemek).

A hidrogénről

A hidrogén a legegyszerűbb kémiai elem, a periódusos rendszer első eleme. Normálállapotban színtelen, szagtalan, íztelen, igen gyúlékony, kétatomos molekula-szerkezetű gáz. A normálállapotú levegőnél sűrűsége kb. 14-szer kisebb. A hidrogén a világegyetemben leggyakrabban előforduló elem, de a Földön is igen elterjedt: jelen van a vízben, szinte minden szerves vegyületben, biomasszában. (Ez szemben áll, a legtöbb fosszilis energiahordozó előfordulásával, amelyek általában a Föld egy-egy földrajzi régiójában lelhetőek fel számottevő mennyiségben, pl. nagy kőolajmezők.) A Földön a hidrogén elemi vagy molekuláris állapotával nem találkozunk, hanem szinte kizárólag vegyületeivel, mivel igen reakcióképes; ebből következően pedig a hidrogént – több-kevesebb energia befektetéssel – vegyületeiből kell előállítanunk, tehát a hidrogén, hasonlóan a villamos energiához, nem primer energiaforrás, hanem szekunder energiahordozó.

Tulajdonságai sok szempontból kedvezőek: nem toxikus, nem korrozív, nem rákkeltő, nem üvegház-hatású, nem radioaktív, környezetbe való véletlenszerű kijutása során nem okoz semmilyen visszamaradó környezetszennyezést.

A vegyipar közel száz éve használja a hidrogént, jelenleg megatonnás éves nagyságrendben, de napjainkra a hidrogén széleskörű, hétköznapi, energetikai célú alkalmazásának küszöbéhez érkeztünk.

Tüzelőanyag-cellák működése

A hidrogént tüzelőanyag-cellákban, gázturbinákban és belső égésű motorokban lehet energia-termelésre felhasználni. Gázturbinákban jelenleg még csak földgáz bekeverésével alkalmazzák a magas égőkamrai hőfok miatt, de folynak kísérletek a tiszta hidrogén felhasználási lehetőségének megteremtésére is. Lényegében hasonló a helyzet a gázmotoroknál is. Az energiatermelés, és a közlekedési célú felhasználás szempontjából is a fő átalakító berendezést a tüzelőanyag-cellák jelentik, ezért a továbbiakban ezekkel foglalkozunk részletesebben.

Az tüzelőanyag-cellák, akárcsak az alkáli elemek, elektrokémiai reakció során közvetlenül elektromos energiát állítanak elő. Az egyik legfőbb különbség az, hogy míg az elemek lemerülésük után használhatatlanok, addig a tüzelőanyag-cellák mid addig üzemelnek, amíg az üzemanyag bevezetés biztosított. Tüzelőanyag-celláknak azokat az elektrokémiai eszközöket tekintjük, amelyekben a tüzelőanyag (elsődlegesen a hidrogén, de bizonyos cella-típusoknál lehet más is, pl. metanol, etanol, biogáz, stb.) kémiai energiája közvetlenül elektromos energiává alakul át, miközben hőfejlődés is történik.

PEM típusú tüzelőanyag-cella működési vázlata (forrás: FuelCellEurope)

Az üzemanyag-cellák általában két elektródából (anódból és katódból) és a köztük lévő elektrolitból állnak. A folyamat során katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogénmolekulák előbb hidrogénatomokra, majd protonokra és elektronokra bomlanak. A protonok az elektroliton haladnak keresztül, az elektronok pedig egy külső áramkörön, így elektromos áram formájában hasznosíthatók. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénnel, és így víz jön létre. Egy adott cella teljesítménye általában kicsi, pl. járművekben történő alkalmazhatósághoz, emiatt a cellákat sorosan összekapcsolják, úgynevezett kötegekbe (fuel cell stack) rendezik őket.

Tüzelőanyag-cellák típusai

Többféle tüzelőanyag-cellát fejlesztettek ki, de általában működési hőmérsékletük, és/vagy a bennük alkalmazott elektrolit típusa alapján csoportosítjuk őket. Működési hőmérsékletük alapján általában alacsony és magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellákról beszélünk. Az elektrolit típusa alapján pedig az alábbi csoportosítással és megnevezésekkel élhetünk:

PEM FC - protoncsere membrános tüzelőanyag-cella
DMFC - direkt metanol tüzelőanyag-cella, ill. ennek analógja a direkt etanol tüzelőanyag-cella (DEFC)
AFC - alkálikus tüzelőanyag-cella
PAFC - foszforsavas tüzelőanyag-cella
MCFC - olvasztott karbonátos tüzelőanyag-cella
SOFC - szilárd oxid alapú tüzelőanyag-cella

A különböző tüzelőanyag-cella típusok sokféle üzemanyagot képesek felhasználni, de ezen belül is megkülönböztethetőek „külső és belső” üzemanyagok. Ez úgy értendő, hogy például a PEM típusú tüzelőanyag-cella alapvetően hidrogénnel üzemel („belső üzemanyag”), de gyakori - és vannak is ilyen alkalmazások -, hogy a felhasznált hidrogént metánból (földgázból) állítják elő, akár helyileg, közvetlenül a tüzelőanyag-cellánál.

Ebben az esetben úgy tűnik, mintha a PEM tüzelőanyag-cella földgázzal működne (külső tüzelőanyag), azonban először a gyakran egybeépített rendszerben egy ún. reformáló egység van, amely a metánból hidrogént állít elő, és valójában ez a hidrogén (belső tüzelőanyag) kerül a tüzelőanyag-cellába. Más típusok, pl. a DMFC, képesek közvetlenül metanollal működni, illetve pl. az MCFC típus földgázzal, biogázzal, szén-monoxid tartalmú gázelegyekkel; ez tehát tüzelőanyag-flexibilitást is lehetővé tesz, ami igen fontos és előnyös szempont lehet a jövő energiarendszereiben.

A témával kapcsolatban további részletekért kattintson ide!

Forrás: Bautrend