A tüzelőanyagcella és a GUNT ET 292 tüzelőanyagcella oktató rendszer
Megoldhatja a villamosenergia tárolást, a kogenerációs (CHP = kombinált fűtő és villamos energia termelő) rendszerekben pedig segítségével érhető el kb. 60% hatásfok.
Ez a tüzelőanyagcella, mely ma már a hallgatói laborokban is működtethető a G.U.N.T. GmbH. ET 292 oktató rendszerének segítségével. A tüzelőanyagcella (angolul: fuel cell) fejlesztése ott tartanak, hogy már kaphatók tüzelőanyagcellák kifejezetten „lakossági fogyasztásra” (bizonyos termékekben felhasználva, kisebb teljesítményű egységekben). Különösen a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane avagy Proton Exchange Membrane Fuel Cell = Polimer elektrolit membrános avagy Proton cserélő membrános tüzelőanyagcella) és DMFC (Direct Methanol FC = Közvetlen metanolos tüzelőanyag cella) típus terjedt el.
A G.U.N.T oktató rendszere a Polimer membrános (PMFC v. PEMFC) cella kogenerációs alkalmazását mutatja be.
A hőerőgépektől eltérően a tüzelőanyagcella a kémiai energiát közvetlenül alakítja át villamos energiává. Ugyanakkor – melléktermékként - itt is keletkezik hő, melynek hasznosításával tovább növelhető a hatásfok. Ezen az elven alapul a CHP (Combined Heat & Power) technika.
A teljesen számítógépes vezérlésű rendszert az anód oldalon magas nyomáson palackban tárolt nagy tisztaságú hidrogén gázzal tápláljuk, míg a katód oldalra a környező levegő oxigénje érkezik.
A beépített elektronikus terhelésnek köszönhetően a tüzelőanyagcella működhet áram-szabályozott, feszültség-szabályozott, vagy teljesítmény-szabályozott üzemmódban, így sokféle munkapont beállítható és a cella jelleggörbéje igen pontosan meghatározható. A működés közben fejlődő hőt egy hűtőrendszer vezeti el a környezetbe, miközben mennyiségét meghatározza a beépített mérő rendszer. A keletkező vizet a tüzelőanyagcella zárt-végű üzemmódjában egy ürítő szelep ereszti le.
A szivattyú, a ventilátor és a vezérlés energia igényét a villamos hálózat biztosítja. A stack-ben lévő pára mennyisége a hőmérséklettel és a légáramlás erősségével szabályozható, így külső nedvesítés nem szükséges.
Az összes olyan villamos paraméter mérése és rögzítése folyamatosan megtörténik, mely a tüzelőanyagcella energiamérlegének meghatározásához szükséges. A mért értékek USB csatlakozáson keresztül kerülnek a PC-be, ahol a GUNT adatfeldolgozó szoftvere fut.
A berendezéshez mellékelt, jól átgondolt útmutató leírja az elméleti alapokat és lépésről lépésre vezeti végig a hallgatót a kísérleteken.
A berendezés segítségével végezhető kísérletek és az elsajátítható tudásanyag:
- kémiai energia átalakítása villamos és hőenergiává
- tüzelőanyagcella felépítése és működése
- összefüggések a tüzelőanyagcella működési paraméterei között
- a tüzelőanyagcella villamos teljesítményét befolyásoló tényezők
- az összes jellemző áram/feszültség jelleggörbe rögzítése és megjelenítése
- a megfelelő változók kiszámítása
Tudástár:
Mi is az a tüzelőanyagcella (amit helyenként üzemanyagcellának is neveznek)?
Idén már 176 éve, hogy az első tüzelőanyagcellát Sir William Robert Grove (1811–1896) 1839-ben megalkotta. Kicsivel később egy másik tudós, Christian Friedrich Schönbein (1799–1868) felfedezte, hogy a folyamat megfordítható. Azután mintegy 100 évre a találmány szinte feledésbe merült. Mígnem az 1960-as években az űrkutatásban felmerült egy hasonló tulajdonságú áramforrás igénye. Akkor indultak azok a fejlesztések, melyek eredményei ma már hétköznapi készülékekben testesülnek meg.
A tüzelőanyagcella egy olyan szerkezet, mely vegyi reakció során közvetlenül villamos energiát állít elő. Felépítése az akkumulátor cellájához hasonlít: két elektróda (anód és katód), valamint a köztük lévő anyag, az elektrolit. A nagy különbség az akkumulátorokhoz képest, hogy azok, a bennük a töltés során keletkezett vegyianyag felhasználásáig (visszaalakításáig) működőképesek, ezáltal ciklikus működésűek. A tüzelőanyagcellánál viszont a vegyi reakcióhoz szükséges anyago(ka)t – kívülről – folyamatosan lehet biztosítani. Ha pedig a kívülről bevezetett anyagokhoz villamos energia közvetlen felhasználásával jutunk, akkor megvalósítottuk a villamos energia tárolását!
A PEMFC cellákkal történő energiatárolás és -felhasználás során tulajdonképpen a kémia órákról jól ismert két folyamat zajlik, (általában) két különböző helyen, kétféle „cellában”.
Az első: „vízbontás elektromossággal” (víz elektrolízise) az alábbi képlet szerint:
energia + 2H2O = 2H2 + O2
A második pedig a PEMFC tüzelőanyagcellában lezajló folyamat: a keletkezett hidrogén oxidációja (lassú elégetése) szabályozott körülmények között:
2H2 + O2 = 2H2O + energia
E második folyamat úgy valósul meg, hogy a hidrogénmolekulát alkotó két atomból a két proton a speciális membrán rendkívül apró nyílásain áthatol, míg az elektron „kénytelen” a tüzelőanyagcella elektródáira kapcsolt áramkörön körbe menni, s a körben lévő fogyasztóban „munkát végezni”. A membrán egy különleges, elektrolitot képező polimer réteg, melynek két oldala az anód és a katód, s amely a rendkívül kis mennyiségű platina katalizátor anyagot tartalmazza.
Van olyan PEM cella, mely – különleges kiképzése folytán – „megfordítható”, vagyis az elektrolízis és villamos energia termelés is ugyanazon cellával végezhető.
A vízbontásnál keletkező oxigén gázt nem szükséges tárolnunk, hiszen a légkör kb. 20%-os arányban tartalmazza, így egyszerűsíteni tudjuk a rendszert, csak a hidrogén gázzal kell foglalkoznunk.
Míg a víz bontása viszonylag könnyen kivitelezhető, az ellenőrzött oxidációhoz platina katalizátor szükséges, ami a széleskörű felhasználást korlátozhatja a véges Pt készletek miatt.
A tüzelőanyagcellás családi házas CHP rendszer felhasználásánál a napi ciklus a következő lehet: napközben a napenergia (továbbá esetleg víz-, vagy szélenergia) segítségével elektromos energiát (egyenáram) fejlesztünk s annak segítségével, viszonylag egyszerű felépítésű elektrolizáló cellában, vízbontással hozzájuthatunk a hidrogénhez amit tartályban tárolni tudunk, vagy a rendszert „konzervből” működtetjük, hiszen a hidrogén sűrítése és palackban történő tárolása, s beszerzése megoldott. Délután/este pedig a környezetből felvett oxigén és a cellában lévő katalizátoros membrán segítségével a hidrogént oxidáljuk és a kémiai energiából ismét villamos energiát tudunk nyerni az estétől reggelig tartó tevékenységekhez. A „melléktermék” pedig ismét víz (vízpára), vagyis környezetkímélő módon jutottunk a szükséges energiához!
GUNT ET 292 tüzelőanyagcella oktató rendszer adatlap