Szanuj energie

NEWSLETTER

Jeśli chcesz otrzymywać informacje
wpisz swój adres email:

FORUM

Zapraszamy na nasze forum
na którym można dowiedzieć się
wielu interesujacych rzeczy

Wejdź
drukuj
19.01.2011 / Hanna Burczy

Ogniwa paliwowe - informacje techniczne

 


Ogniwo paliwowe jest urządzeniem, które wytwarza energię elektryczną poprzez bezpośrednie wykorzystanie energii chemicznej paliwa, a więc bez konieczności jego spalania. Podobnie, jak ogniwo galwaniczne (bateria, akumulator) typowe ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod: katody i anody oddzielonych elektrolitem. Elektrody połączone są zamkniętym obwodem elektrycznym umożliwiających przepływ elektronów. W odróżnieniu od ogniwa galwanicznego, które wymaga regularnego ładowania, ogniwo paliwowe zasilane jest stale dostarczanym paliwem. Paliwem najczęściej stosowanym w ogniwach paliwowych jest wodór.

 

Zasada działania ogniwa paliwowego

Technologia wodorowych ogniw paliwowych oparta jest na prostej reakcji chemicznej utleniania wodoru:

2H2 + O2 → 2H2O.

Paliwo wodorowe dostarczane jest z zewnątrz ogniwa do anody (elektrody ujemnej), a pochodzący z powietrza atmosferycznego tlen - do katody (elektrody dodatniej). W tego typu ogniwie rolę elektrolitu pełni cienka membrana polimerowa. W wyniku oddziaływania ze znajdującym się na anodzie katalizatorem (którego rolę pełni najczęściej platyna) wodór rozdzielany jest na ujemnie naładowane elektrony i dodatnie jony wodorowe - protony. Każdy z ładunków inną drogą dąży do katody. Protony przemieszczają się do katody przenikając przez półprzepuszczalną membranę polimerową, a elektrony, nieprzepuszczane przez membranę, dążą do katody zewnętrznym obwodem zamkniętym generując w nim prąd elektryczny. Elektrony i protony łączą się na katodzie z tlenem. Produktem reakcji utleniania jest woda w postaci cieczy lub pary.

Paliwo wodorowe może być otrzymywane z wielu różnych substancji, na przykład z węglowodorów wchodzących w skład gazu ziemnego lub metanolu. Różny może być także sposób dostarczania wodoru do ogniwa: jako czysty wodór lub jako reformat - produkt procesu reformingu polegającego na otrzymywaniu wodoru z innych substancji np. z metanu. Reforming może być prowadzony na zewnątrz ogniwa (reforming zewnętrzny) lub dzięki odpowiedniej konstrukcji elektrod wewnątrz ogniwa (reforming wewnętrzny).

 

Rodzaje ogniw paliwowych

Istnieje wiele odmian ogniw paliwowych. Różnią się one przede wszystkim rodzajem zastosowanego elektrolitu, temperaturą pracy, paliwem zasilającym ogniwo, czasem rozruchu, sprawnością i wynikającymi stąd możliwościami zastosowań.

PEM (Proton Exchange Membrane lub Polimer Electrolyte Membrane) – ogniwo paliwowe z polimerową membraną do wymiany protonów

W ogniwach paliwowych PEM rolę elektrolitu pełni cienka membrana polimerowa (najczęściej naftion – sulfonowany politetrafluoroetylen o bardzo korzystnych własnościach), Jako paliwo wykorzystywany jest czysty wodór lub reformat. Temperatura pracy tego typu ogniwa mieści się w granicach 60-100oC, a jego sprawność wynosi 35-65%. Wśród zalet ogniw PEM należy wymienić ich niską temperaturę pracy, stosunkowo wysoką sprawność, szybki czas rozruchu i możliwość uzyskania wysokiej gęstości prądu. Do najważniejszych wad ogniw PEM należy konieczność używania jako paliwa czystego wodoru i wysoki koszt materiałów (w szczególności platynowego katalizatora). Ogniwa PEM ukierunkowane są przede wszystkim na zastosowania mobilne (przemył motoryzacyjny, małe przenośne urządzenia) oraz małej mocy elektrownie i generatory energii i ciepła.

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – ogniwo paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem

Ogniwa DMFC są odmianą ogniw PEM. Główna różnica polega na rodzaju dostarczanego paliwa, którym w tym przypadku jest metanol (CH3OH). Elektrolitem w ogniwie DMFC jest spolimeryzowany fluorkowany kwas suflonowy w postaci membrany pokrytej porowatą platyną. Anoda oprócz platyny pokryta jest również rutenem, co umożliwia wewnętrzny reforming metanolu i uzyskanie wodoru do zasilania ogniwa. Temperatura pracy ogniwa DMFC wynosi 90-120oC, a osiągana sprawność to 20-40%. Główną zaletą tych ogniw jest niska temperatura pracy, brak konieczności składowania paliwa oraz to, że mogą produkować małe ilości energii w długim okresie. Wadą ich jest natomiast niewielka moc stosunkowo niska sprawność. Ze względu na wymienione właściwości ogniwa DMFC znajdują przede wszystkim zastosowanie w małych przenośnych urządzeniach jak laptopy i telefony komórkowe.

AFC (Alkaline Fuel Cell) - ogniwa alkaliczne

Elektrolitem stosowanym w ogniwach AFC jest umieszczony w porowatej matrycy wodny roztwór wodorotlenku potasu KOH. Paliwem dla ogniw AFC jest wodór. Temperatura pracy ogniwa waha się w granicach 60-250oC, zaś ich sprawność wynosi 50-70%. Do zalet ogniw AFC należy niska temperatura pracy, duża sprawność, szybki rozruch, odporność na korozję, mała waga i objętość. Natomiast ich główne wady to skomplikowany system kierowania wodą, relatywnie krótki czas pracy i wrażliwość na zanieczyszczenia paliwa. Wynalezione w latach trzydziestych XX wieku przez Francisa Thomasa Bacona ogniwa AFC były jednymi z pierwszych ogniw paliwowych. Ich rozwój rozpoczął się jednak w latach 60-tych XX wieku wraz z rozwojem kosmonautyki. Ich główne bowiem kierunki zastosowań to kosmonautyka i zastosowania militarne.

PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym

W ogniwach PAFC elektrolitem jest kwas ortofosforowy H3PO4 o koncentracji do 100%. Temperatura pracy tych ogniw to 150-220oC, a sprawność wynosi 35-50%. Paliwem dla tego typu ogniw jest wodór, choć wysoka tolerancja na tlenki węgla umożliwia stosowanie także innych paliw - mogą być zasilane nieoczyszczonym powietrzem (jako utleniaczem) i reformatem (jako paliwem). Inną ich zaletą jest możliwość pracy w niskich temperaturach choć wyższych niż np. ogniwa PEM, co umożliwia odzysk ciepła (praca w systemach skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła CHP). Ich wady to użycie korozyjnego materiału, duża objętość i ciężar, konieczność podgrzewania przed rozruchem i ciekły elektrolit, który z czasem odparowuje. Ogniwa PAFC ukierunkowane są na zastosowania stacjonarne.

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stopionych weglanów

W przypadku ogniw MCFC elektrolitem jest mieszanina stopionych węglanów alkalicznych umieszczonych w ceramicznej matrycy z LiAlO2. Są to ogniwa wysokotemperaturowe – pracują w temperaturze 600-700oC. Wysoka temperatura pozwala na stosowanie wielu rodzajów paliw (gaz ziemny, benzyna, wodór, propan). Sprawność ogniw MCFC jest w granicach 40-50%. Ich główne zalety to duża wydajność oraz brak potrzeby używania do ich konstrukcji metali szlachetnych. Wadami są natomiast duża agresywność i korozyjność elektrolitu, konieczność chłodzenia elektrod gazem, który przepływając z dużą prędkością jest źródłem hałasu, duża awaryjność i spadek mocy urządzenia w trakcie długotrwałej pracy oraz konieczność wykonania elementów konstrukcji ze stali nierdzewnej, co podnosi koszty. Ogniwa MCFC mogą być stosowane w dużych elektrowniach i generatorach oraz w urządzeniach do produkcji energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu (CHP).

SOFC Solid Oxide Fuel Cells – stało tlenkowe ogniwo paliwowe

W przypadku ogniw SOFC elektrolitem jest tlenek cyrkonu (ZrO2) domieszkowany tlenkiem itru (Y2O3). Stały elektrolit pozwala na uniknięcie problemów związanych z korozją i wyciekaniem elektrolitu. Ogniwa SOFC są ogniwami wysokotemperaturowymi – pracują w temperaturze 600-1000oC i charakteryzują się dużą tolerancją na zanieczyszczenia paliw (tlenki węgla i siarki), co pozwala na stosowanie wielu rodzajów paliw. Wysoka temperatura stwarza jednak problemy związane z powstającymi naprężeniami mechanicznymi i z uszczelnieniem. Dużą zaletą ogniw paliwowych jest ich wysoka sprawność sięgająca w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła do 85%. Wadą jest natomiast długi czas osiągnięcia pełnej sprawności. Ze względu na powyższe cechy ogniwa SOFC znajdują zastosowanie przede wszystkim w zastosowaniach stacjonarnych – dużych elektrowniach i generatorach, w szczególności w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła CHP.

Oprócz wymienionych wyżej rodzajów ogniw paliwowych rozwijanych jeszcze ogromna ilość innych rozwiązań technologicznych, jak np. ogniwa PAFC (Phosphoric Acid) – ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym, RFC (Reversible Fuel Cell) – odwracalne ogniwo paliwowe, MHFC (Metal hydride fuel cells) – metalowo-wodorkowe ogniwo paliwowe, EGFC (Electro-galvanic fuel cell) – elektro-galwaniczne ogniwo paliwowe, MFC (Microbial fuel cell) – mikrobiologiczne ogniwo paliwowe i wiele innych.

 

Zalety ogniw paliwowych

Główną zaletą wszystkich ogniw paliwowych jest produkcja energii w sposób naturalnie czysty, gdyż głównym produktem reakcji zachodzący w ogniwach jest woda. W przypadku ogniwa zasilanego czystym wodorem ilość emitowanych zanieczyszczeń jest śladowa. Dużą zaletą ogniw jest brak ruchomych elementów oraz szybkie przystosowywanie się do zmiennego obciążenia energetycznego. Ogniwa są odporne na zakłócenia i w związku z tym są dobrym źródłem zasilania dla urządzeń pomiarowych, medycznych, komputerów itp. Modułowa konstrukcja ogniw umożliwia tworzenie, rozbudowywanie i dowolną lokalizację stosów ogniw o szerokim zakresie mocy. Ogniwa ukierunkowane na zastosowania stacjonarne pozwalają na realizację modelu energetyki rozproszonej – lokalizację w sąsiedztwie lokalnych nośników i odbiorców energii, co pozawala na redukcję strat kosztów przesyłu energii. Ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką sprawnością - w przypadku produkcji energii elektrycznej sięgającą 50%, a w procesie kogeneracji do 85%. Ogniwa pozwalają na wykorzystanie różnych rodzajów paliw bogatych w wodór.

 

Wady ogniw paliwowych

Podstawową wadą ogniw paliwowych jest ich ciągła jeszcze technologiczna niedoskonałość i wysokie koszty materiałów stosowanych do ich produkcji. Konieczne są więc stałe prace badawcze w zakresie technologii materiałowych oraz procesów produkcyjnych. Istotną wadą jest również brak doświadczenia eksploatacyjnego i odpowiedniej infrastruktury do zasilania ogniw paliwem wodorowym zarówno w zastosowaniach mobilnych, jak i stacjonarnych. Jednak ze względu obiecujące własności ogniw i związane z tym ogromne zainteresowanie zarówno badawczy, jak i przemysłu pokonanie tych trudności jest tylko kwestią czasu.

 

Zastosowania ogniw paliwowych

Ze względu na różnorodność własności poszczególnych rodzajów ogniw paliwowych mogą one znaleźć zastosowanie w różnych obszarach przemysłu i transportu, wśród podmiotów komunalnych i  odbiorców indywidualnych – od baterii małej mocy dla małych urządzeń elektronicznych, poprzez zastosowania motoryzacyjne i kosmiczne do dużych generatorów i elektrowni. Można oczekiwać również następnych kierunków zastosowań w miarę rozwoju nowych rozwiązań technologicznych.

< powrót
pn wt śr cz pt so nd
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31      

Budowa serwisu dofinansowana przez Wojewódzki Fundusz Ochrony
Środowiska i Gospodarki Wodnej w Warszawie
www.wfosigw.pl

2010-2011 Szanuj-Energie.pl

StudioGraficzne.com: Projektowanie stron internetowych