Ogniwo Ppaliwowe z Elektrolitem z Kwasu Fosforowego (Phosphorid Acid Fuel Cell - PAFC)

Jest tp pierwszy typ ogniwa produkowany w ilościach komercyjnych, obecnie szeroko stosowany w Stanach Zjednoczonych, Europie i Japonii. Elektrolitem w tego typu ogniwach jest 100% kwas ortofosforowy (H3PO4) w postaci żelu, umieszczony w porowatym teflonowanym węgliku krzemu (SiC). Elektrody wykonane są z porowatego grafitu z domieszką Pt (Anoda - 0,1 mg/cm2, katoda - 0,5 mg/cm2). Para wodna powstająca na katodzie jest odprowadzana z nadmiarem utleniacza (O2 lub powietrza) i nie rozcieńcza elektrolitu. Ogniwa fosforowe pracują w temperaturach zbliżonych do 200 oC osiągając gęstości prądu w zakresie 100-400 mA/cm2 przy napięciu 0,6-0,8 V.

Ogniwo paliwowe z elektrolitem z kwasu fosforowego

Schemat poglądowy działania ogniwa paliwowego PAFC.
źródło: www.fctec.com

Reakcja na ANODZIE

H2 → 2H+ + 2e-

Reakcja na KATODZIE

O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O

Zalety ogniw PAFC:

  • Wyższa tolerancja na zawarte w gazach CO w porównaniu do ogniw AFC i PEMFC,
  • Względnie prosta konstrukcja, nie wymagająca wyrafinowanych materiałów (węgiel, tworzywa sztuczne),
  • Wysoka stabilność termiczna i elektrochemiczna,
  • Ogniwo długowieczne (do 40000 godzin pracy),
  • Nie wymaga podczas pracy szczególnego nadzoru i obsługi
  • Ogniwa te mogą pracować w skojarzeniu.

Wady ogniw PAFC:

  • Duża agresywność i korozyjność elektrolitu powoduje niszczenie materiału,
  • Konieczność wykonania elementów konstrukcji ogniwa z materiałów kwasoodpornych, co podwyższa koszty,
  • Stosunkowo wolna redukcja tlenu na katodzie powodująca straty w ogniwie.

Zastosowanie: kombinowane systemy dostarczające energii elektrycznej i ciepła (np. dla gospodarstw domowych) o mocy rzędu 50 - 1000 kW, systemy energetyczne o mocy rzędu 5 - 20 MW.

PRZYKŁADY

Wśród wytwórców ogniw paliwowych PAFC (z kwasem fosforowym jako elektrolitem) wiodącą pozycję zajmuje amerykańska firma ONSI, produkująca seryjnie ogniwa pod nazwą PC-25 o mocy 200 kW. Jej kooperatorem jest japońska firma Toshiba, a wspólnie wytwarzane stosy (baterie) ogniw paliwowych sprzedawane są pod znakiem IFC (International Fuel Cells). Drugim znaczącym wytwórcą ogniw paliwowych jest japońska firma Fuji Electric, której wyroby są oznakowane symbolem FP50.

Pierwszą elektrownię z ogniwami paliwowymi typu PAFC o mocy 1 MW oddano do eksploatacji w 1977 roku w USA (South Windsor, Connecticut). W latach 80. zbudowano drugą elektrownię o mocy 4,5 MW w Japonii (w Goi nad Zatoką Tokijską). Największą siłownię z ogniwami paliwowymi PAFC o mocy 11 MW, wybudowaną przez IFC, eksploatuje się w Japonii. Mniejsze elektrociepłownie – głównie w sektorze ogrzewniczym – buduje się coraz częściej w krajach wysokorozwiniętych. W Europie największą elektrownię tego typu uruchomiono w 1994 roku w Mediolanie - o mocy 1300 kW.