2019 február 20 - szerda

2.4.7.2. Az üzemanyag cella működési elve

Ezen az oldalon az üzemanyag cellák működési elvéről olvashatsz. Azonban mielőtt elkezdenénk tárgyalni, hogyan is épülnek fel az üzemanyag cellák, ismételjük át a redoxi reakciókról tanultakat, hiszen az üzemanyag cellákban is redoxi reakciók játszódnak le.

A redoxi reakciók elektronátmenettel járó reakciók, melyek során egyidejű elektron leadás és felvétel történik.

Az elektron leadást oxidációnak, az elektronfelvételt pedig redukciónak nevezzük. Az oxidáció során az oxidációs szám nő, a redukció során pedig csökken.

Nézzük meg a következő példákat:

2 H2 => 4 H+ + 4 e oxidáció

O2 + 4 H+ + 4 e => 2 H2O redukció

Az oxidáció és redukció mindig egyidejűleg játszódik le és az elektronátmenet során megváltozik a részecskék töltése.

Az oxidációs szám az adott anyagot felépítő atomok töltése. Gondolatban a nagyobb elektronegativitású atomhoz rendeljük a közös elektronpárt, s az így keletkezett ion töltésszámával egyezik meg az oxidációs szám.

Az oxigén oxidációs száma az oxidokban (O2): -2, a hidrogén oxidációs száma pedig (H+): +1. A molekulát felépítő atomok oxidációs számának algebrai összege zérus.

Ha az oxidációt és redukciót térben szétválasztjuk, akkor a kémiai reakció energiatermelésre használható!

A galvánelem és az üzemanyag cella olyan berendezések, melyek a kémiai energiát elektromos energiává alakítják át. Bennük önként végbemenő redoxi reakciók termelik az elektromos energiát.

A redoxi reakciókról az információkat innét vettem.

Az üzemanyag cella a következő részekből áll:

  • Két elektródából (anódból és katódból)
  • Katalizátorból, mely a két elektróda egymás felé néző oldalán található
  • Elektrolitból (membránból), mely lehet szilárd vagy folyékony halmazállapotú

A következő ábrán az egyik legelterjedtebb, úgynevezett protoncserélő membrános üzemanyag cella elvi rajza látható.

fuel-cell-parts 2.4.7.2. Az üzemanyag cella működési elve

1. ábra. A protoncserélő membrános üzemanyag cella elvi rajza

A működési elv a következő: Az anódra adott nyomáson vezetett hidrogén molekulákat a platinából készült katalizátor szétválasztja hidrogén atomokra, majd az atomok elektronjait az anódra vezetve a H+ ionok a membránon átjutnak a katódhoz. A hidrogén ion egy pozitív töltésű protonból áll. A membránt ezért nevezik protoncserélőnek, mivel csak a hidrogén iont, azaz a protont engedi át, míg a negatív töltésű elektront nem. Az elektronok egy külső fogyasztón tudnak csak átjutni a katódba, miközben hasznos munkát végeznek.

A katódra vezetett oxigén molekulák a katalizátor segítségével szintén lebomlanak oxigén atomokra, melyek az anódból – valamilyen fogyasztón keresztül – átáramló elektronokkal és a membránon átjutott hidrogén ionokkal egyesülve vizet alkotnak.

Ezt a folyamatot a következőképpen írhatjuk le:

Anód: 2 H2 => 4 H+ + 4 e

Katód: O2 + 4 H+ + 4 e => 2 H2O

Egyesített reakció: 2 H2 + O2 => 2 H2O

A reakció során az egy cellán keletkező feszültség értéke kb. 0,7 V, a DC áramerősség pedig a másodpercenként átáramlott hidrogén és oxigéngázok mennyiségének a függvénye. Ha nagyobb feszültséget szeretnénk elérni, akkor több cellát kell sorba kapcsolnunk.

A következő ábrán egy egyszerű animációt láthatunk. Az indításhoz nyomd le a "Close" gombot, majd az "Activate"-t, végül pedig a "Continue" gombot.

2. ábra. Az üzemanyagcella működését bemutató animáció

A működési elvet bemutató ábrát és animációt innét vettem.

Az üzemanyag celláknak több típusa létezik, melyeket az elektrolit (membrán) anyaga szerint csoportosíthatunk. A különböző elektrolitok különböző tulajdonságokkal ruházzák fel az üzemanyagcellát és a reakciók is különböző hőmérsékleten játszódnak le. Ennek megfelelően a felhasználási területük is változik az elektrolit függvényében.

A következő táblázat (melyet innét vettem) az egyes üzemanyag cellákat hasonlítja össze.

Típusa Elektrolit Működési hőmérséklet Elektromos hatásfok Üzemanyag
 AFC
(alkáli)
 30 % KOH  oldat,  gél  80 °C  elméleti: 70%
 gyakorlati: 62%
 – tiszta H2
 – O2
 PEMFC (proton-áteresztő)   protonáteresztő  membrán  80 °C  elméleti: 68%
 gyakorlati: 50%
 – tiszta H2
 – O2
 – levegő
 DMFC (direkt metanol)  protonáteresztő  membrán  80 – 130 °C  elméleti: 30%
 gyakorlati: 26%
 – metanol,
 – O2
 – levegő
 PAFC (foszfor-savas)  tömény  foszforsav  200 °C  elméleti: 65%
 gyakorlati: 60%
 – tiszta H2
 – O2
 – levegő
 MCFC (alkáli-karbonátsó)  lítium-karbonát,
 kálium-karbonát
 650 °C  elméleti: 65%
 gyakorlati: 62%
 – H2
 – földgáz
 – széngáz
 – biogáz
 – levegő
 – O2
 SOFC (oxid-kerámia)  yttrium-cirkon  oxidkerámia  800 – 1000 °C  elméleti: 65%
 gyakorlati: 62%
 – H2
 – földgáz
 – széngáz
 – biogáz
 – levegő
 – O2

1. táblázat. Az üzemanyag cellák összehasonlítása

Mint látjuk, az üzemanyag cellák katódjára oxigént vezetünk, mely nagy mennyiségben található a levegőben, így tulajdonképpen nem tiszta oxigént vezetnek a katódra, hanem levegőt (kivételt képez az AFC).

Az anódra vezetett hidrogén már nem áll ilyen szabadon a rendelkezésünkre, azt elő kell állítani pl. a víz elektrolízise segítségével vagy valamilyen gázból, pl földgázból kell azt kinyerni speciális készülék, az un. reformer segítségével.

Az elektródákon mérhető feszültségkülönbség nem nagy, 0,7 V körül van, ezért pl. 12 V-os feszültség eléréséhez 17 db cellát kell sorba kapcsolni. Ha a lakásunk, házunk villamos fogyasztóit szeretnénk táplálni az üzemanyag cellával, akkor még egy invertert is közbe kell iktatnunk, ami a – mondjuk – 12 V egyenfeszültséget átalakítja 220 V 50 Hz-es váltakozó feszültséggé.

A cellákban lejátszódó redoxi reakciónak azonban van egy mellékterméke is, mégpedig a hő. Az 1. táblázat harmadik oszlopában van feltűntetve az egyes elektrolitoknál felszabaduló hő. Ebből az is következik, hogy ha a ház elektromos fogyasztóinak a táplálását üzemanyag cellákkal oldjuk meg, akkor a felszabaduló hőt pl. vízmelegítésre, esetleg fűtésre is hasznosíthatjuk.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás