Az üzemanyagcella bemutatása

Noha a fent megnevezett eszköz az alternatív hajtásmódok egyik leglenyűgözőbb formáját segít megvalósítani a közúti alkalmazások közül, valójában az általános autófelhasználó igen keveset tud a működéséről. Ennek egyik oka, hogy ma még kevésbé számít elterjedt megoldásnak, másrészt pedig igényel némi magyarázatot, hogy megtudjuk, mi is zajlik egy ilyen jármű belsejében.

Ez a cikk a fenti kérdés hivatott tisztázni.

Definíció

Először is induljunk ki abból, hogy az üzemanyagcella nem kizárólag az autóiparban van jelen. A hadiipar, az erőművek blokkfűtői, az űrkutatás és még a mikroelektronika is használja a technológia különböző vállfajait. Mi itt elsősorban a járműipari vonatkozásokat vizsgáljuk, de az alapvető fogalomtól jutunk majd el a tényleges felhasználási formákig.

Az üzemanyagcella lényegében egy olyan rendszer, ami kémiai energiát alakít át elektromos energiává, amiből aztán a járművek esetén végül mozgási energiát nyerünk.

Azért nevezzük kémiai energiának, amivel az üzemanyagcella dolgozik, mert vegyi folyamatoknak köszönheti a forrását.

Alapvető cellatípusok

Mielőtt még teljesen áttérnénk a számunkra érdekes részletekre, meg kell említenünk, hogy az üzemanyagcella nem azonos fogalom a hidrogéncellával. Utóbbi ugyanis csak egy változata az előbbinek.

A következő felsorolásban röviden jellemezzük a legfontosabbakat közülük.

• AFC, azaz alkáli elektrolitos cella: Ez az autóiparban használt üzemanyagcella, amelynek működéséhez hidrogén és oxigén szükséges. Működési hőmérséklete 80 °C, az elméleti hatásfoka 70%, a gyakorlatban ez inkább 62% körül van.
• PEMFC, azaz protonáteresztő membrános cella: Működési elve nagyon hasonló az AFC-hez, az üzem közbeni hőmérséklete szintén 80 °C, ám a hatásfoka rosszabb: 68% az elméleti, a gyakorlatban viszont alig éri el az 50%-ot. A járműiparban is megtalálható, de előfordul erőművek blokkfűtőjében is.
• DMFC, azaz direkt metanol membrános cella: Az előző kettőhöz képest fontos különbség, hogy itt nem hidrogén és oxigén, hanem metanol és oxigén a kiindulási anyagpár. A metanol egy egyszerűbben előállítható anyag, a cella hatásfoka viszont nem kimagasló: az elméleti 30%-hoz a gyakorlatban mindössze 26% társul. Mikroelektronikában áramforrásként találkozunk vele.
• PAFC, azaz foszforsavas cella: Szintén áramforrásként és erőművekben szerepel gyakran ez a változat, melynek egészen jó, 65%-os elméleti és 60%-os gyakorlati hatásfoka van, a működési hőmérséklete pedig eléri a 200 °C-ot. Az elektrolit tömény foszforsav, de az üzemanyag itt is hidrogén és oxigén.
• MCFC, azaz alkáli karbonátsó cella: A gőzturbinás kétlépcsős blokkfűtők egyik általános cellája. 650 °C-on üzemel, és a hidrogéntől a földgázon és a biogázon, valamint az oxigénen át számos üzemanyaggal használható. Elméleti hatásfoka 65, a gyakorlati 62%.
• SOFC, azaz oxidkerámia cella: Ez az yttrium-cirkon oxidkerámia elektrolitos cella a másik jellemző típus a gőzturbinás kétlépcsős blokkfűtőknél. Kirívóan magas, akár 1000 °C is lehet a belsejében, és az MCFC-hez hasonló üzemanyag-palettával rendelkezik. Hatásfokai ugyanazok: az elméleti 65%, a gyakorlati pedig 62%.

A továbbiakban a járműiparban használatos cellákkal foglalkozunk.

Működés

Az üzemanyagcellás autókban lejátszódó, fent említett vegyi folyamat a redoxi reakció.

Hasonlóképp kell elképzelni az energia előállításának lépéseit, mintha egy savas akkumulátor belsejét vizsgálnánk: van anódunk, melyen hidrogéngáz oxidációja történik. Ez a folyamat egyik fele, melynek során a hidrogén elektront ad le, amely külső áramkörön keresztül átjut a katódra, ezáltal elektromos áramot generál, azaz elektromos munkát végez.

A procedúra másik fele értelemszerűen a katódon játszódik le – a redoxi reakcióból itt a redukció történik –, ahol oxigén, a korábban már említett pozitív töltésű hidrogénion és elektron egyesül, és végül vízzé alakul.

Hogy a hidrogén el is veszítse az elektronját, arról egy katalizátor egység gondoskodik. Az anyagválasztás az anód és a katód számára a céltól függően változatos lehet – anód elektródának például platina, míg katódnak nikkel lehet használatos. A hidrogénionok anódról katódra történő átjutását a két elektróda közti elektrolit biztosítja, mely csak az ionokat engedi át, az elektronokat nem.

Járműipari vonatkozások

Noha a NASA már a 60-as években aktívan használt üzemanyagcellákat, az eszköz autóipari múltja jóval fiatalabb. Tény, hogy a Chevrolet már 1966-ban előállt az Electrovannel, sorozatgyártásra azonban soha nem került sor. Egészen 1999 szeptemberéig kellett várni, hogy a Honda piacra dobja az FCX-V1-et, és megvásárolható legyen egy üzemanyagcellás autó a nagyközönség számára.

Azóta számos gyártó próbálkozott a megoldással, gyártásban azonban Európában mindössze két modell előrhető jelenleg: az egyik a Toyota Mirai (2015-), a másik pedig a Hyundiai Nexo (2018-). Hogy miért ennyire szerény ez a lista, arra a következő fejezetben kitérünk.

Előnyök és hátrányok

Az üzemanyagcella előnyös tulajdonságai hamar világossá váltak a fejlesztők számára:

• nincs mozgó alkatrész – megbízható működés
• érzéketlen a hőingadozás változására
• kis tömeg, kompakt méret
• nincs károsanyag-kibocsátás

Járműipari szempontból pedig az is kiemelendő, hogy az akkumulátoros technológia még csak most éri el az a 600 kilométer körüli hatótávot a nagyobb autóknál, amire a Toyota Mirai már 2015-ben képes volt. Nem kérdés, hogy az üzemanyagcellában még ma is rengeteg potenciál van ezen a téren. Szintén érdekes, hogy a tankoláshoz nem szükséges érdemben több idő, mint egy belső égésű motoros autó esetén. Ez egy újabb lényeges pont a technológia mellett.

Adódik a kérdés, hogy akkor miért látunk ennyire keveset belőlük.

A válasz az, hogy jelenleg ezek az előnyök nem léteznek jelentős hátrányok nélkül.

A hidrogén tárolása nem sokkal, vagy semmivel sem egyszerűbb, mint az elektromos áramé, és az előállítása szintén hagy még kívánnivalót maga után.

Ezeknél azonban sokkal égetőbb probléma, hogy az üzemanyagcellák alapanyagai elképesztően magas árral bírnak, így maga a jármű sem versenyképes a piacon. A másik neuralgikus pont pedig a töltőhálózat hiánya. Ma már számos lépést tettek a hidrogénkutak telepítésének ügyében a legtöbb európai országban, ám ez fajlagosan sokkal nagyobb költséget jelent, mint az elektromos töltőoszlopok telepítése, így a folyamat lassú.

A két utolsó hátrány megoldásával valószínűleg látványosabban megindulhat az üzemanyagcellás autók elterjedése a közutakon – érdekes lesz látni, hogy milyen gyorsan képes fejlődni a technológia.