Ogniwa paliwowe – źródła energii elektrycznej i cieplnej

Ogniwa paliwowe, FC (ang. Fuel Cells), są jedną z wielu technologii tzw. alternatywnych źródeł energii elektrycznej

Ich gwałtowny rozwój obserwuje się w ostatnich latach. Ogniwa paliwowe są nowoczesnymi urządzeniami elektrochemicznymi, pozwalającymi – bezpośrednio z prowadzonych reakcji chemicznych – na uzyskiwanie (w sposób ciągły) energii elektrycznej i ciepła.

Ogniwa paliwowe – historia

Technologia ogniw paliwowych, charakteryzująca się dużą czystością ekologiczną i sprawnością generowania efektów energetycznych oraz wysoką gęstością generowanej mocy (w odniesieniu do objętości urządzenia, jak i do powierzchni elektrody), jest aktualnie intensywnie rozwijana głównie w krajach UE, Japonii i USA.

Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył już w 1838 r. szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein. Opublikował ją w 1839 r. w styczniowym wydaniu „Philosophical Magazine” i na podstawie tej pracy walijski naukowiec sir William Grove stworzył pierwsze działające ogniwo paliwowe. Chociaż zasada działania ogniwa paliwowego była znana od ponad stu lat, to znalazła ona praktyczne zastosowanie dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku. Przykładowo można podać, że ogniwa paliwowe były już wykorzystywane w ramach programu Apollo (1966-1972) do generowania energii elektrycznej i ciepłej wody na pokładzie statku kosmicznego.


Ogniwa paliwowe – zmiany…

Postęp technologiczny w dziedzinie ogniw paliwowych, który nastąpił w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku (m.in. usunięcie wymogu stosowania idealnie czystego wodoru i tlenu, wykorzystanie membrany polimerowej jako elektrolitu, istotne zmniejszenie zużycia platyny koniecznej do działania, a potem zastąpienie jej innymi metalami, obniżenie temperatury pracy) umożliwił ich wykorzystanie do licznych celów komercyjnych.

Ogniwa paliwowe w wersji komercyjnej są zatem od dawna obecne na rynku. Typowymi obszarami stosowania ogniw paliwowych, poza energetyką zawodową (elektrownie stacjonarne), są systemy zasilania awaryjnego i rezerwowego dla wybranych obiektów (banki, szpitale, obiekty wojskowe itp.), lokalne dostarczanie energii do obiektów w miejscach pozbawionych dostępu do sieci elektroenergetycznej, np. schroniska górskie, wreszcie niektóre przenośne urządzenia elektroniczne (laptopy, aparaty fotograficzne, telefony komórkowe, odtwarzacze MP3 itp.), a nawet roboty. Ponadto ogniwa paliwowe są obecnie często stosowane w samochodach osobowych, np. marki Toyota, Lexus, Nissan, zaś nad modelami aut z ogniwami paliwowymi pracują takie firmy, jak General Motors, Mercedes, Mitsubishi i inne.

Obecnie układy ogniw paliwowych są powszechnie uznawane za najbardziej obiecującą koncepcję alternatywnego napędu przyszłości, przede wszystkim ze względu na ich ekologiczny charakter. Systemy ogniw paliwowych, pracujących samodzielnie lub wspierających układy klasycznych elektrowni cieplnych, są rozważane jako przyszłe główne źródła energii, szczególnie że mogą być zasilane gazowymi paliwami wodorowymi, czyli czystym wodorem, mieszaniną gazów z wodorem, węglowodorami i biopaliwem. Utleniaczem może być czysty tlen lub mieszanina tlenu z innymi gazami, w tym i powietrze.

Sprawność ogniwa określa się jako stosunek uzyskanej energii elektrycznej do całkowitej energii możliwej do uzyskania w wyniku zajścia reakcji chemicznej. Zwykle tak zdefiniowana sprawność osiąga wartości mniejsze od jedności, ale zakładając teoretycznie, mogą istnieć reakcje chemiczne, w wyniku których ogniwo wytwarza więcej energii elektrycznej niż energia zawarta w paliwie, gdyż wówczas podczas reakcji pobierane jest ciepło z otoczenia i zamieniane na energię elektryczną.

Ogniwa paliwowe – budowa

Jak już wspomniano, ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które wytwarzają energię elektryczną i ciepło w wyniku reakcji chemicznej paliwa wodorowego z utleniaczem (tlenem), zaś produktem ubocznym jest woda w postaci ciekłej lub pary.

Cechą wyróżniającą ogniwa paliwowe (od klasycznych ogniw galwanicznych: baterii i akumulatorów) jest fakt, że substancje elektroaktywne (paliwo i utleniacz), które uczestniczą w reakcjach elektrodowych, dostarczane są w sposób ciągły z zewnątrz ogniwa.

Jako typowe urządzenie elektrochemiczne ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod: anody (dodatniej) i katody (ujemnej). Są one rozdzielone poprzez elektrolit występujący w postaci cieczy lub niekiedy ciała stałego. W sposób ciągły do anody jest doprowadzany wodór, a do katody – tlen.

Ogniwa_paliwowe_zasada_dzialania
Ogniwa paliwowe – zasada działania

Katalizator na anodzie powoduje rozbicie wodoru na jony: dodatni proton (kation) i ujemny elektron (anion). Elektrolit przepuszcza do katody jedynie protony, więc poprzez elektrolit odbywa się przepływ kationów. Natomiast anoda umożliwia przepływ elektronów, więc aniony płyną do katody zewnętrznym obwodem – jako elektrony – tworząc prąd elektryczny. Na katodzie protony i elektrony łączą się z tlenem, tworząc wodę, która w sposób ciągły opuszcza ogniwo. W dodatku przebieg procesu generowania energii nie zmienia natury chemicznej obu elektrod, jak również zastosowanego elektrolitu.

Z przedstawionej zasady działania wynika, że ogniwo paliwowe teoretycznie powinno działać tak długo, jak długo dostarczane jest do niego paliwo i utleniacz z zewnątrz, w praktyce natomiast degradacja, głównie korozja albo niesprawności poszczególnych komponentów, ograniczają rzeczywisty czas życia ogniwa. Zwykle pojedyncze ogniwo generuje siłę elektromotoryczną rzędu 1 V/ogniwo, dlatego w celach komercyjnych tworzy się stosy takich ogniw łączonych różnie w moduły.

Ogniwa paliwowe – rodzaje

Różnorodność ogniw paliwowych wynika z ciągłego postępu prac nad nimi, a także z obszaru, specyfiki i zakresu ich stosowania. Poniżej zostaną scharakteryzowane tylko ważniejsze z nich, częściej spotykane.

Ogniwa paliwowe membranowe

Do napędu pojazdów mechanicznych stosowane są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów, PEMFC (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell), oraz ogniwa paliwowe z polimerowym elektrolitem, PEFC (Ploymer Electrolyte Fuel Cell). Charakteryzują się one niską temperaturą pracy, krótkim czasem rozruchu, niewielkimi gabarytami oraz mniejszą masą w porównaniu z innymi ogniwami. Obecnie realizacje idą w kierunku wykorzystania tych ogniw jako napędu dla autobusów i samochodów. Stanowiąc źródła wytwarzania energii, umożliwiają osiągnięcie mocy elektrycznej do ok. 500 kW przy sprawności ogniwa wynoszącej ok. 50 – 70%.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym

Powszechne zastosowanie do różnych stacjonarnych celów znalazły ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym, PAFC (ang. Phosphoric Acid Fuel Cell), w których elektrolitem jest kwas fosforowy H3PO4 umieszczony w porowatym węgliku krzemu (SiC). Elektrody wykonane są z porowatego grafitu z domieszką platyny jako katalizatora. Powstająca na katodzie para wodna odprowadzana jest z nadmiarem utleniacza i nie rozcieńcza elektrolitu.

Ogniwo_paliwowe
Ogniwa paliwowe – schemta

Ich masa, gabaryty, ale i znaczny czas rozruchu nie predysponują do zastosowań mobilnych. Zaletą tego typu ogniw jest wysoka sprawność sięgająca ok. 80%. Temperatura pracy wynosząca ok. 150 – 200oC pozwala racjonalnie wykorzystać uzyskiwane ciepło procesowe. A zatem tego typu ogniwa służą jako źródła kogeneracyjne. Szacuje się, że obecnie na świecie pracuje kilkaset urządzeń tego typu, przy czym zakres mocy mieści się w przedziale 50 – 200 kW, a wyższym mocom odpowiada niższa sprawność źródła.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem

Jako jedne z pierwszych, bo już w latach sześćdziesiątych, pojawiły się ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem, MCFC (ang. Molten Carbonate Fuel Cell). Początkowo były bardzo drogie ze względu na elektrody wykonane z metali szlachetnych. Po zastosowaniu chromu i niklu obniżono znacznie ich cenę oraz istotnie zwiększono gęstość mocy do 150 mW/cm2, czyli 1,5 kW/m2 – zgodnie z zasadami układu jednostek SI.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem

Do ogniw o długo rozwijanych walorach konstrukcyjnych zaliczamy ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (ściślej: ze zestalonym elektrolitem tlenkowym), SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell). Jako elektrolit stosowane są tlenki ceramiczne przewodzące jony tlenowe, najczęściej tlenek cyrkonu. Ponieważ ogniwo to charakteryzuje się wysoką temperaturą pracy, ok. 600 – 1000oC,powstające wysokojakościowe ciepło procesowe zamienia ogniwo w stacjonarne źródło kogeneracyjne, osiągające moc elektryczną do 100 MW.

Podstawowe zalety ogniw SOFC to: dynamiczny charakter pracy, wysoka trwałość, bo przekraczająca 13 000 h pracy, brak płynów. Dzięki wysokiej temperaturze pracy mogą być, poprzez wewnętrzny reforming paliwa, zasilane dowolnym paliwem wodorowym, bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń zewnętrznych. Nie jest również konieczny obieg CO2, który jest nieodzowny w ogniwach węglanowych MCFC. Tego typu ogniwa wytwarzają czołowi światowi producenci: Siemens (Niemcy), Rolls-Royce (Wielka Brytania), Honeywell (USA), Sulzer (Szwajcaria), Kyocera (Japonia) i in.

Ogniwa paliwowe zasilane metanolem

W urządzeniach przenośnych znalazły zastosowanie głównie ogniwa paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem, DMFC (ang. Direct-Methanol Fuel Cell). Dla ich pracy metanol CH3OH nie jest uprzednio reformowany (do wodoru), lecz dostarczany bezpośrednio do ogniwa. Pracują zwykle przy temperaturze nieprzekraczającej 100oC. Przy obecnym poziomie technologii ten typ ogniw charakteryzuje się stosunkowo niską mocą z zakresu 100 mW – 1 kW, tzn. mogą produkować niewielkie ilości energii przez odpowiednio długi czas. Ta ostatnia cecha predysponuje je do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych (laptopy, aparaty fotograficzne, telefony komórkowe, odtwarzacze MP3 itp.). Teoretycznie z 1 dm3 metanolu można uzyskać 5 kWh energii elektrycznej, ponieważ jednak ogniwa te mają na razie sprawność ok. 20-34%, uzyskuje się ok. 1,7 kWh/dm3 energii elektrycznej lub poprawniej 1,7 MWh/m3.

Ogniwa paliwowe alkaiczne

Obecnie do najlepiej rozwiniętych technologii ogniw zaliczamy alkaliczne ogniwa paliwowe, czyli ogniwa paliwowe Bacona, AFC (ang. Alkaline Fuel Cell). Ich podstawową zaletą są dobre parametry prądowo-napięciowe, ale tylko podczas zasilania czystym wodorem i czystym tlenem. Elektrolitem jest tkanina azbestowa nasączona stężonym roztworem wodorotlenku potasu, przy czym przy wyższym jego stężeniu ogniwo pracuje przy wyższej temperaturze.

Ogniwa_paliwowe_schemat_3
Ogniwa paliwowe – schemtat 3

W przypadku takiego ogniwa można przedstawić przykładowy jego moduł. I tak typowy moduł ogniwa składa się z 6 płyt połączonych szeregowo, przy czym każda warstwa zawiera 4 takie elementy połączone równolegle. Każda płyta składa się z cel, z których każda wytwarza napięcie 0,93 V i natężenie 25 A. Cały moduł wytwarza prąd elektryczny o napięciu 5,6 V i natężeniu 100 A i ma sprawność ok. 50%. Jednak dla większego modułu o mocy 2,5 kW, przy mniejszym poborze prądu niż 100 A, sprawność dochodzi do 70%.

Zakończenie

Podany ogólny opis zasady działania ogniw paliwowych i zaprezentowany ich skrótowy przegląd ma za zadanie jedynie zorientować czytelnika w tej dziedzinie energetyki, gdyż jest to ważna i przy tym aktualnie rozwijana nowoczesna technologia generacji energii elektrycznej, obejmująca również kogenerację.

Jako uwagę końcową można podać informację, że ceny poszczególnych ogniw, choć jeszcze stosunkowo wysokie, mają zauważalną tendencję zniżkową. Wynika ona z silnej konkurencji rynkowej oraz ciągłego rozwoju technologii przy zwiększaniu wolumenu produkcji.

Ogniwa paliwowe zostały też opisane w artykule pt. „Ogniwa paliwowe i biogaz”

dr inż. Piotr Kubski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij