Az üzemanyagcella működési elve

Az üzemanyagcella olyan elektrokémiai galvánelem, amely képes a benne lévő üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos energiává átalakítani. A különbség az, hogy amíg a galvánelemek esetében az üzemanyag felhasználása után azt ki kell cserélni (vagy fel kell tölteni), addig az üzemanyagcellákat új üzemanyaggal folyamatosan lehet ellátni.
A működési elvet még az 19. században felfedezték. Sir William Growe fizikus 1839-ben az elektrolízis vizsgálatánál igazolta, hogy annak folyamata visszafordítható. Németországban Werner von Siemens foglalkozott az általa ,,hideg égetés"-nek nevezett elektrokémiai eljárással (hidrogén-oxigén cellák), amelyet főleg tengeralattjárók energiaellátásának biztosítására kívánt hasznosítani.
Miért mindig az űrkutatás?
Az üzemanyagcella bevezetésére mégis elsősorban az űrhajózásban került sor elektromosáram-fejlesztésre, mert nem tartalmaz mozgó alkatrészt; érzéketlen a gravitációs hatásokra, a kozmikus sugárzásokra, a hőingadozásra. Megbízható, stabil. Üzemanyaga, a hidrogén és oxigén egyébként is az űrhajó szállítmányában található, kis tömegű, kiterjedésű, és nincs károsanyag-kibocsátása. Az üzemanyagcellák további előnye az, hogy az ,,újratöltés" azonnal megvalósul, valamint lényegesen nagyobb teljesítménysűrűségre képesek.
Az üzemanyagcellák három fő sajátosságuk alapján rendszerezhetők: 1. a működési hőmérséklet korlátai szerint, 2. az üzemanyag típusa alapján és 3. az elektrolit fajtája alapján.
A fejlesztés nem áll meg...
A tiszta hidrogén üzemű cellák mellett ma már kifejlesztettek földgázzal, metanollal vagy akár biogázzal működő tíusokat is. Ezek munkahőmérséklete 80 és 1000 °C között mozog; hatásfokuk pedig tíustól függően elérheti a 60%-ot is.
Különös figyelmet érdemel a direkt metanolos üzemanyagcella, amely szobahőmérsékleten is biztonságosan működik. Az angol kezdőbetűkön alapuló DMFC - Direct Methanol Fuel Cell - rövidítéssel vált ismertté. A DMFC valamilyen folyékony szerves üzemanyag, például: metil-alkohol oxigénnel (vagy levegővel) történő közvetlen katalitikus oxidációján alapul. Elektromos áramot, szén-dioxidot, vizet és hőt termel.
A DMFC-ben lejátszódó kémiai folyamat fordított irányban is megvalósítható. Így a metil-alkohol vagy a belőle származtatható oxigéntartalmú vegyületek a cellafeszültségtől függően előállíthatók szén-dioxidból. Az üzemanyagcella ennek megfelelően az elektromos energia termelőjeként és tárolójaként is működik, és ezt sokkal hatékonyabban végzi, mint bármelyik ismert akkumulátor. A szén-dioxid újrafelhasználása tehát nemcsak a fűtőanyagok újrahasznosítására ad lehetőséget, hanem egyúttal csökkentheti az üvegházhatást okozó gázok légköri felhalmozódását is. A metanol így mint üzemanyag és mint energiatároló is egyre fontosabb szerepet fog játszani.
Alkalmazási területek
Az üzemanyagcellát ma már széles körben alkalmazzák villamos energia előállítására a mobiltelefontól a városi villamosműig, olyan helyen, ahol elemet, akkumulátort vagy áramfejlesztőt helyettesít, sőt hő- és áramtermelő berendezésekben is. Például a termelt hő és villamos energia a háztartásokban is felhasználható. Lehetséges a fel nem használt villamos energia értékesítése a hálózatban, de ehhez a fogyasztói csatlakozási helyet a visszatermelés átadására és mérésére alkalmas módon kell kialakítani. Csak zárójelben jegyezzük meg, hogy hazánkban ennek nem műszaki, hanem törvényes akadálya van, amíg nem hozzák meg a villamosenergia-piac felszabadítását szabályozó köztársasági törvényt.
A legvérmesebb várakozások mégis a gépjárműiparban vannak. Az üzemanyagcellák előnye a belső égésű motorokhoz képest az, hogy hatásfokukat a termodinamikus határok nem korlátozzák, míg a belső égésű motorok hatásfokát igen. Ami még ennél is fontosabb, hogy ,,tiszta" gépjárműveket gyárthatunk. A prototípusok már régen az utakon futnak.
Persze, a tudósok és a mérnökök még vitatkoznak a hidrogén mint üzemanyag biztonságos tárolásáról, szállításáról és előállítási költségeiről. A kőolajkarter is mindent megtesz, hogy fékezze a konkurencia előretörését. Azt sem szabad szem elől téveszteni, hogy az üzemanyagcellák és a hidrogénmeghajtás sem tökéletesen környezetbarát. Amerikai tudósok már arról cikkeznek, hogy az üzemanyagcellák terjedésével a föld légkörének felső rétegeiben megváltozhat a hidrogén aránya, és ez károsíthatja az ózonpajzsot. Ezeknek a kérdéseknek a megválaszolása talán majd egy másik cikk témája lehetne.
Mindent összevetve, a fejlődés nem áll meg, és az üzemanyagcellák így vagy úgy az életünk mindennapos részévé válnak majd.
Az üzemanyagcella nemcsak termelője az elektromos energiának, hanem a tárolója is - és ezt sokkal hatékonyabban végzi, mint bármelyik ismert akkumulátor.