Węglowe ogniwo paliwowe
(Direct Carbon Fuel Cell - DCFC)

Węglowe ogniwo paliwowe jest to ogniwo, które jako jedyne z ogniw paliwowych zdolne jest do bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliw węglowych w energię elektryczną. Paliwem mogą być wszelkie substancje bogate w węgiel, natomiast utleniaczem jest tlen dostarczany do urządzenia w czystej postaci lub wraz z powietrzem atmosferycznym. Konwersja energii odbywa się z pominięciem konwencjonalnego spalania co wpływa na wzrost sprawności.

Pierwsze literaturowe wzmianki o technologii DCFC zostały odnotowane w połowie XIX wieku. W 1855 r. Bacquerelle, a w 1887 r. Jablochkoff zbudowali elektrochemiczne urządzenia wykorzystujące węgiel jako anodę, tygiel z Pt/Fe jako katodę i elektrolit w postaci stopionego KNO3. Urządzenia te generowały prąd elektryczny, ale były niestabilne w wyniku degradacji elektrolitu. W 1896 r. Dr. William Jacques zademonstrował ogniwo posiadające moc 1,5 kW i składające się ze 100 pojedynczych celi tworzących stos. Każda cela ogniwa zbudowana była z pręta węglowego zawierającego niewielką ilość popiołu oraz charakteryzowała się gęstością prądu wynoszącą 100 mA/cm2 oraz generowała napięcie około 1V. Ogniwo Jacques`a pracowało w temperaturze 400-500°C wykorzystując jako elektrolit stopione wodorotlenki (np. KOH, NaOH, LiOH itp.).

Węglowe ogniwo paliwowe Dr. Williama Jacques-a

Węglowe ogniwo paliwowe Dr. Williama Jacques-a

Węglowe ogniwa paliwowe posiadają wiele cech, które stawiają je ponad innymi ogniwami paliwowymi. Należą do nich m.in.:

  1. zdecydowanie wyższa sprawność w stosunku do pozostałych typów ogniw paliwowych (teoretycznie nawet 100%).
  2. brak konieczności stosowania drogich katalizatorów, jak np. platyna, w celu zapewnienia odpowiedniej szybkoścc przebiegu reakcji elektrochemicznych. Obniżenie kosztów inwestycyjnych,
  3. możliwość zastosowania paliwa stałego węglowego. Węgiel jest atrakcyjnym paliwem, ponieważ występuje w różnych postaciach i ogólnie dostępnych surowcach takich jak: węgiel kamienny, brunatny, koks, biomasa, odpady organiczne itp., które można łatwo pozyskać, zmagazynować oraz przetransportować. Pozostałe typy ogniw wykorzystują głównie paliwa gazowe (wodór, gaz syntezowy) lub ciekłe (np. metanol)
  4. stosunkowo prosta konstrukcja, co wpływa na zwiększenie stabilności układu oraz wzrost żywotności i niezawodności samego urządzenia,

Korzyścią płynącą z przemiany stałego paliwa węglowego bezpośrednio w energię elektryczną jest bardzo wysoka sprawność wynosząca nawet 80% - co potwierdzają badania laboratoryjne. Ogniwo paliwowe zasilane paliwem węglowym wytwarza energię elektryczną przy konkurencyjnych kosztach - uważa się, że koszt jednego kW z elektrowni opartej na technologii DCFC może być mniejszy niż w konwencjonalnych elektrowniach o tej samej wydajności. Ponadto generowanie energii elektrycznej w ogniwie zużywa dwa razy mniej paliwa niż dzisiejsze wydajne elektrownie węglowe, co w konsekwencji wpływa na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla (przeliczając na jednostkę wygenerowanej energii). W porównaniu z konwencjonalną elektrownią węglową ogniwa paliwowe bezpośrednio zasilane węglem emitują dziesięciokrotnie mniejszy strumień objętości spalin, ponieważ w odróżnieniu od spalania w kotle, utlenianie węgla przebiega elektrochemicznie Podczas generowania energii elektrycznej w opisywanych ogniwach dochodzi do wytwarzania dwutlenku węgla, który najczęściej stanowi oddzielną frakcję, dzięki czemu uzyskuje się niemal czysty strumień gazu, który można bezpośrednio wykorzystać np. w przemyśle lub zmagazynować w podziemnych wyrobiskach. Nie ma więc potrzeby stosowania drogich, energochłonnych i często skomplikowanych instalacji do wychwytywania CO2 ze strumienia gazów odlotowych. Ze względu na czystość powstającego strumienia CO2, wychwytywanie jest zdecydowanie bardziej opłacalne i wydajne niż ma to miejsce w przypadku jego sekwestracji ze strumienia spalin w elektrowniach.

A) Reakcje elktrodowe dla ogniwa pracującego z elektrolitem w postaci stopionego w wysokiej temperaturze wodorotlenku (np. KOH, NaOH, LiOH itp.):

Reakcja na ANODZIE

C + 4OH- → CO2 + 2H2O + 4e-

Reakcja na KATODZIE

O2 + 2e- → O22-

O22- + 2H2O + 2e- → 4OH-

B) Reakcje elktrodowe dla ogniwa pracującego z elektrolitem w postaci stopionych w wysokiej temperaturze węglanów (np. Na2CO3, Li2CO3, K2CO3):

Reakcja na ANODZIE

C + 2CO32- → 3CO2 + 4e-

Reakcja na KATODZIE

O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32-

Na świecie pracuje się nad węglowymi ogniwami paliwowymi, które różnią się od siebie przede wszystkim rodzajem stosowanego elektrolitu, wyróżnić tu należy przede wszystkim: ogniwa z elektrolitem ze stopionych węglanów, stopionych wodorotlenków oraz z elektrolitem stałym.

W rezultacie, po pokonaniu wielu barier technologicznych, węglowe ogniwa paliwowe mogą stać się jedną z najbardziej atrakcyjnych wysokosprawnych i niskoemisyjnych technologii energetycznych przyszłości.

Główne ośrodki rozwijające technologię DCFC >>