A környezetvédő WWF csoport és a Fuel Cell Europe kutatásából kiderül, hogy az európai fosszilis tüzelőanyagokkal történő energia előállításának CO2-kibocsátását a felére lehetne csökkenteni ha tüzelőanyag-cellákat alkalmaznának az áram és a távhő előállításához. Mindkét szervezet felszólította az Európai Bizottságot, hogy hárítsa el a tüzelőanyag-cellák bevezetése elől a szabályozási és intézményi akadályokat. A tüzelőanyag-cellák attraktivitása az igen magas hatékonyságukban rejlik. A kormányoknak és az energiaiparnak előnyben kell részesítenie ezeket a technológiákat annak érdekében, hogy az üvegházgázok emisszióját jelentősen csökkenteni lehessen.
Ebből is látszik, hogy ígéretes jövő áll a tüzelőanyag-cellák előtt. Tekintsünk vissza a múltba, és idézzük fel Verne Gyula jóslatait, akinek titokzatosan jó érzéke volt a jövő előrelátásához. 1874-ben a következőket írta: „Azt gondolom hogy majd egy nap a vizet használják üzemanyagként, és alkotóelemei, a hidrogén és az oxigén együtt vagy külön-külön kimeríthetetlen forrásai lesznek a melegnek és a fénynek.” Sok szakértő azt gondolja, hogy ez a jóslat a huszonegyedik század második felére valóban beteljesedik majd, a hidrogén általános energiaforrás lesz, amelyet hatalmas erőművekben és apró motorokban egyaránt fel lehet használni különböző formában. A jövőben az autókat is hidrogén üzemelteti majd, és a gázt valószínűleg a hidrogén vegyületeiből (hidridekből) állítják majd elő. Valójában már manapság is használható a hidrogén a hagyományos autómotorokban a karburátor kisebb átalakítása után, és a hidrogént hidridekből generáló üzemanyagtartályokat kísérleti járművekben már egy évtizednél is régebben alkalmaznak. A hidrogént az teszi a jövő üzemanyagait kutatók szemében igen vonzóvá, hogy égésekor sem korom, sem mérgező anyagok, sem füst, sem üvegházhatást előidéző gázok nem keletkeznek. A hidrogén égésekor keletkező egyetlen termék a víz. A káros égéstermékek keletkezésének elkerülése a hidrogénnek az a tulajdonsága, ami miatt a világ autóipara is elég nagy erőfeszítéseket tesz üzemanyagként való alkalmazására. Sokan azt gondolják, hogy a hidrogén egyszerű elégetésénél jobb módszerek is vannak. Ezek a jobb módszerek a tüzelőanyag-cellákban oxidálják a hidrogént és így közvetlenül elektromos áramot állítanak elő, ami aztán használható elektromos autók motorjainak vagy más elektromos eszközök működtetésére. A tüzelőanyag-cellák jóval hatékonyabban nyerik ki a hidrogénben tárolt kémiai energiát, mintha égetéssel előbb hővé alakítanák, majd a hőből állítanának elő mechanikai energiát. Már nincs is olyan messze a nap, amikor a történészek újra csodálni fogják Verne bölcs előrelátását.
Mi a tüzelőanyag-cella, és hogyan működik?
A tüzelőanyag-cella, angolul fuell cell, olyan galvánelem, amely képes kémiai energiát közvetlenül elektromos energiává alakítani, miközben az elemet felépítő elektródok és elektrolit lényegében változatlan állapotban maradnak. A tüzelőanyag-cellák, szemben a közismert és mindennapi életben nagyszámban használt elemekkel vagy az újratölthető akkumulátorokkal, nem merülnek ki. Az energiatermelést biztosító tüzelőszert (pl. hidrogén, metanol, etanol, metán, benzin, Diesel-olaj) és oxidálószert (általában oxigén vagy levegő) folyamatosan táplálják be, az energiatermelő reakcióban keletkező termékeket pedig elvezetik. A tüzelőanyag-cella működésének elvét a brit Grove már 1839-ben felismerte. Grove vízbe merült két platinalemezen keresztül vezetett árammal a vizet alkotórészeire, hidrogénre és oxigénre bontotta. Észrevette, hogy az áramforrás kikapcsolása után a két elektródán még feszültséget lehetett mérni. Ezt a jelenséget akkor is tapasztalta, amikor a hidrogén- és oxigénbuborékoktól megtisztított platinalemezeket a vízbe helyezte, és az egyik lemezre hidrogént a másikra oxigént juttatott. Ez az összeállítás áramforrásként működött ugyan, de ennél a galvánelemek sokkal jobbnak bizonyultak, és ezért a galvánelemek terjedtek el. Jedlik Ányos magyar fizikus is foglalkozott a Grove-féle gázelemek megbízhatóságának és hatásfokának javításával 1860-ban, de kísérletei nem vezettek eredményre.
Említésre méltó kutatási eredmény az 1930-as években kezdődött, amely megnyitotta az utat a további fejlődéshez. Ezután a NASA támogatta a tüzelőanyagcella-fejlesztéseket. 1965-re készült el az első 5 kW-os, tüzelőanyag-cella az amerikai hadsereg részére és azóta a fejlődés töretlen. Nemcsak az Egyesült Államokban, hanem Európában, Japánban és a világ egyéb országaiban is intenzív kutatás folyik. A további sikerhez az elektrokémia elméletének jelentős fejlődése mellett, még egyéb tudomány és a technika fejlesztésére is szükség volt.
A 20. század végétől, a környezetvédelemi szempontok felértékelődésével, sokan a tüzelőanyag-cellákat tekintik a jövő meghatározó energiatermelő eszközeinek. Hatásfokuk elérheti a hőerőművek és hőerőgépek hatásfokának kétszeresét, károsanyag-kibocsátásuk viszont lényegesen kisebb. Különösen nagy a várakozás a közlekedésben való elterjedésükkel kapcsolatban. Számtalan tüzelőanyag-cellás kísérleti jármű (autóbusz, személy- és teherautó) járja az utakat szerte a világon, és minden jelentősebb autógyártó foglakozik tüzelőanyag-cella kutatásokkal. Alapvetően a hidrogén az üzemanyaga. A hidrogén többféle forrásból nyerhető: vízből, szénhidrogénekből, alkoholból, szintézisgázból és biogázból. A tüzelőanyag-cellák zajtalanul működnek, mivel nincs bennük mozgó alkatrész.
Mostanáig sokféle tüzelőanyag-cellát fejlesztettek ki, de alapjában véve ezeknek két fő típusát különböztethetjük meg, az alacsony hőmérsékleten (50–80 °C) és a magasabb hőmérsékleten (600–1000 °C) működőket. Az előbbiek könnyen elviselnek sok be- és kikapcsolást, ez előnyös például gépjárműveknél, míg az utóbbiak inkább folyamatos üzemben, például erőművekben hasznosíthatók. A tüzelőanyag fajtáját, az elektrolit és más komponensek minőségét, valamint a felépítésüket tekintve jelenleg számos, különböző típusú tüzelőanyag-cella van forgalomban.
A foszforsavas tüzelőanyag-cella jelenleg a leggyakrabban használt típus. Ennek működési hőmérséklete 200 °C körüli, és alkalmas nagyobb mértékű energiaigények kielégítésére. Ez a típus használható lakások, irodaépületek, kórházak és autóbuszok elektromos árammal való ellátására. Épületeknél, ahol az árammal egyidejűleg keletkező hőt is fel lehet használni fűtésre, 80%-osnál jobb hatásfokot is el lehet érni.
A karbonátolvadékos cellák, amelyek nagy hőmérsékletű, helyhez kötött nagy és folyamatos energiafelhasználásra tervezett áram és hőforrások, fűtőanyaga a metán.
A szilárdoxidos tüzelőanyag-cella tüzelőanyaga a metán. Igen nagy a teljesítménysűrűsége, köbméterenként 240 kW, a hatásfoka 45%. Működési hőmérséklete 1000 °C, ezért kifejezetten ipari áramforrás.
Már számos autógyártó cég üzemeltet tüzelőanyag-cellás autókat és buszokat kísérleti célból. Ezeknél a fő problémát a hidrogén tárolása és szállítása jelenti. A hidrogén szállítása gáz formában csak rövid útra elegendő, hiszen aránylag kis mennyiség is nagy térfogatú tartályt igényelne. Folyékony állapotban tárolt hidrogénnél (olvadáspontja –259 °C) ugyan nagyobb az energiasűrűség, de ez csak nagyon alacsony hőmérsékleten, illetve igen nagy nyomáson valósítható meg. A hidrogént acélból készült palackokban 150 bar nyomáson hozzák forgalomba. Ezek a palackok nehezek, még nagyobb nyomáson is a hidrogén tömege csak az összes tömeg 0,5–1%.
