Így működnek az autókban is használt üzemanyagcellák
Ha valaki azt mondaná, hogy gondolj egy olyan eszközre, amely kémiai reakcióval állít elő elektromos áramot, valószínűleg az akkumulátor lenne az első dolog, ami eszedbe jutna. Ennek ellenére van egy másik eszköz is, amely ugyanezt a feladatot látja el, mégis nagyon kevesen hallottak róla: az üzemanyagcella.
Definíció szerint az üzemeanyagcella – más néven tüzelőanyag-elem – egy kémiai áramforrás, amelyben az áramtermelő folyamat valamilyen tüzelőanyag oxidációja. Nagyon leegyszerűsítve úgy gondolhatunk az üzemanyagcellára, mint egy olyan akkumulátorra, amely tüzelőanyag segítségével állít elő áramot – vagyis amíg rendelkezésre áll például hidrogén vagy gázolaj, addig áram is van. Az igazság azonban ennél egy kicsit bonyolultabb, mivel míg az akkumulátor képes tárolni az áramot, és addig működik, amíg valami le nem meríti, addig az üzemanyagcella nem képes az áram tárolására.
Ennek ellenére a két eszköz között sok hasonlóságot találunk. Az akkumulátorokhoz hasonlóan az üzemanyagcelláknak is van egy anódjuk és egy katódjuk. Van elektrolitjuk is, de ennek célja nem ugyanaz, mint a hagyományos akkumulátoroké. Általában egy katalizátor oxidálja az üzemanyagot, pozitív töltésű ionokat és elektronokat hozva létre. Ezek az ionok az anódról a katódra, az elektronok pedig az anódról egy külső áramkörön keresztül a katódra mozognak, így elektromos áram keletkezik.
Ami viszont nagy különbség a két eszköz között, hogy sok üzemanyagcella melléktermékként vizet termel, amit később másra is fel lehet használni. Érdemes megnézni a NASA alábbi videóját, amelyben az űrhivatal az üzemanyagcellák működését mutatja be.
Az üzemanyagcellák történelme
Sir William Grove 1838-ban készítette el az első üzemanyagcellát. Grove eszköze híg savat, rézszulfátot, valamint fémlemezt és porcelánt használt. Később Francis Thomas Bacon is elkészítette a saját fejlesztésű tüzelőanyag-elemét, ami már lúgos üzemanyagot használt. És bár Bacon üzemanyagcellája 5 kW teljesítményre volt képes, 1955-ben a General Electric volt az, amely nagyobb egységek gyártásába kezdett. A GE vegyészei kifejlesztettek egy ioncserélő membránt, amely platina katalizátort tartalmazott, a fejlesztőkről elnevezett „Grubb-Niedrach” üzemanyagcellákat pedig már a Gemini űrkapszulákban is használták. 1959-re elkészült egy üzemanyagcellás traktor prototípusa, valamint egy Bacon-cellával működő hegesztőgép is.
Egyébként az egyik ok, amiért az űrhajók gyakran használnak üzemanyagcellákat, az az, hogy sok cella hidrogént és oxigént vesz fel üzemanyagként, közben pedig áramot és vizet termel – ez a két termék pedig kulcsfontosságú az űrhajósok számára.
Milyen típusai vannak a tüzelőanyag-celláknak?
Nem minden üzemanyagcella használja ugyanazt az üzemanyagot, és nem is ugyanazokat a melléktermékeket állítja elő.
A leggyakoribb cellák hidrogént és oxigént használnak platina anódkatalizátorral és nikkel katódkatalizátorral. A cellánkénti kimeneti feszültség gyakran kevesebb, mint egy volt. Egyes üzemanyagcellák azonban szénhidrogéneket használnak. A dízel, a metanol és más szénhidrogének elektromos áramot és melléktermékként vízzel együtt szén-dioxidot is előállíthatnak. Érdemes azt is megjegyezni, hogy vannak olyan üzemanyagcellák – bár ritkák -, amelyek szerves alapanyagot használnak, ezeket mikrobiális celláknak nevezzük.
A leggyakoribb típusok közé tartoznak:
- Lúgos: A Bacon-cella az űrkapszulákban volt megtalálható, és szénelektródákat, katalizátort, illetve hidroxid-elektrolitot használt.
- Szilárd savas: Ezek szilárd savas anyagot használnak elektrolitként, és felmelegítik az adott anyagot, így növelve a vezetőképességet.
- Foszforsavas: Ez egy másik sav alapú technológia, amely nagyobb hőmérsékleten működik.
- Olvasztott karbonáttal működő: Ezek az üzemanyagcellák szintén magas hőmérsékleten működnek, és lítium-kálium-karbonátot használnak elektrolitként.
- Szilárd oxidos: Magas hőmérsékleten működő technológia, amely cirkónium-dioxid-kerámiát használ elektrolitként.
Üzemanyagcellák az űrben?
Az üzemanyagcelláknak nagy múltja van az űrben. A nagyon korai tüzelőanyag-elemek, amelyeket például a Gemini 1962-es indulásakor használtak, protoncserélő membránnal működtek. A NASA azonban 1967-ben elkezdte használni a DuPont cég Nafionját, amelyek már sokkal jobb teljesítménysűrűséggel rendelkeztek, és az Apollo-programtól kezdve ezek a kálium-hidroxid elektrolitot használó cellák voltak az alapfelszereltség.
Még az űrsiklók, sőt, az orosz űrhajók is rendelkeztek üzemanyagcellákkal. Az űrsikló eleme 36 x 38 x 114 centiméter méretű volt, és több mint 117 kilogrammot nyomott. A cellát közvetlenül a legénységi fülke mögött helyezték el, és a segítségével folyamatosan 12 kW-ot, de akár 16 kW-ot is tudtak biztosítani.
És bár ezek az eszközök nagyon hatékonyan tudnak áramot előállítani, a napelemes technológia és az újratölthető akkumulátorok hatékonyságának javulásával az űrhajók ma már ritkán használnak üzemanyagcellákat.
Más járművekben is használják a technológiát
Vannak kísérletek üzemanyagcellás autók gyártására, de a hidrogén szállítása, tárolása és szállítása eléggé nehézkes. Bár a hidrogén meghajtású autók kezdetben ígéretesek voltak, ma már egyre kevesebben gondolják úgy, hogy ezek jelentik a jövőt. Vegyük például a Toyota Mirai-t: a japán autó nem is olyan drága, 57 000 dollárba kerül, a tulajdonosok mégis pereltek, mert nem tudtak hidrogént szerezni.
Ma már szinte nincs is olyan járműtípus, amibe nem próbáltak meg üzemanyagcellát tenni – most például több vállalat is azzal kísérletezik, hogy hogyan lehetne a tüzelőanyag-elemmel felszerelt repülőgépeket hatékonyabbá tenni.
Meglepő módon azonban egyre nagyobb piaca van az üzemanyagcellás targoncáknak. Mivel árammal működnek, ideálisak a beltéri feladatokra. Emellett az akkumulátorral működő targoncák töltése időt vesz igénybe, és nem működnek jól a hidegben.
Üzemanyagcella házilag? Lehetséges!
Ha ismerjük az üzemanyagcellák működési elvét, és be tudunk szerezni néhány alapanyagot, otthon is készíthetünk tüzelőanyag-elemet. Az elkészítése elméletben nem olyan nehéz, hacsak nem a kereskedelemben használt teljesítményre törekszünk. Aki esetleg szeretne megpróbálkozni vele, annak az alábbi videó nagyon jó támpont lehet.