Ogniwo Paliwowe z Elektrolitem Polimerowym (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - PEMFC)

Elektrolitem w ogniwie PEMFC jest spolimeryzowany fluorkowany kwas sulfonowy w postaci jonowymiennej membrany. To właśnie membrana wyróżnia te ogniwa spośród innych. Elektrody to zazwyczaj włóknina węglowa lub kartki porowatego grafitowanego papieru, teflonowane na zewnątrz i pokryte katalizatorem (najczęściej porowatą platyną - pierwiastkiem o najlepszych właściwościach katalitycznych) na styku elektroda - membrana. Całość jest sprasowana w podwyższonej temperaturze na grubość 1 mm i nosi nazwę MEA (Membrane Electrode Assembly). Kanalikami w elektrodach są doprowadzane paliwo (zazwyczaj H2) oraz utleniacz (O2) i odprowadzana jest woda lub para wodna. Elektrody odprowadzają również ładunek elektryczny generowany w ogniwie do obwodu zewnętrznego. Dzięki zastosowaniu stałego elektrolitu wyeliminowano konieczność stosowania płynnych elektrolitów, włączając w to żrące kwasy oraz zasady.

Ogniwo z polimerowym elektrolitem

Schemat poglądowy działania ogniwa paliwowego typu PEMFC.
źródło: www.fctec.com

Kiedy atom wodoru wnika w porowatą strukturę anody i wchodzi w kontakt z warstwą katalizatora (platyny) następuje uwolnienie elektronu, który przechodząc przez zewnętrzny obwód wytwarza prąd elektryczny. Proton przenika przez membranę na drugą stronę i w momencie kontaktu z platynowym katalizatorem katody łączy się z tlenem i powracającymi z zamkniętego obwodu zewnętrznego elektronami dając w rezultacie wodę, która jest usuwana z ogniwa w postaci ciekłej lub gazowej.

Reakcja na ANODZIE

H2 → 2H+ + 2e-

Reakcja na KATODZIE

O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O

Zasada działania ogniwa paliwowego typu PEMFC.

Początkowo jako elektrolit wykorzystywano sulfonowane polifenole, potem sulfonowany polistyren i sulfonowany politrifluorostyren. Od momentu, gdy w 1960 r. firma Du Pont wynalazła Nafion® - sulfonowany politetrafluoroetylen o bardzo dobrych właściwościach: wysokiej trwałości chemicznej i termicznej (>100°C) oraz wysokiej przewodności jonowej i całkowitym braku przewodności elektronowej - zaczął się szybki postęp technologiczny ogniw PEMFC.

Ogniwo z polimerowym elektrolitem

Ogniwo z polimerowym elektrolitem

Budowa i wygląd pojedyńczej celi polimerowego ogniwa typu PEMFC

Ogniwa polimerowe pracują w temperaturze poniżej 100°C. Stąd powstająca w wyniku reakcji woda jest w stanie ciekłym. Podstawowy wpływ na charakterystykę ogniwa mają mechanizmy transportu wody w elementach ogniwa i sposób jej odprowadzenia. Należy dbać o odpowiednie jej stężenie w membranie celem uzyskania dobrych własności przewodzenia jonów. Zazwyczaj woda jest usuwana z ogniwa po stronie katody. Charakterystyki napięciowo-prądowe ogniw polimerowych istotnie zależą od temperatury i ciśnienia pracy oraz rodzaju utleniacza, a także rodzaju membrany i stopnia nasycenia katalizatorem. Ogólnie rzecz biorąc wzrost temperatury zwiększa napięcie ogniwa przy danej gęstości prądu, podobnie oddziaływać będzie ciśnienie na katodzie. Zastosowanie czystego tlenu jako utleniacza pozwala uzyskać liniowy przebieg charakterystyki w dużym zakresie zmienności gęstości prądu. Zawartość w paliwie CO powoduje istotną degradację własności ogniwa.

Do najważniejszych czynników mających istotny wpływ na poprawę sprawności, parametry elektryczne, trwałą i stabilną pracę oraz zmniejszenie kosztów uzyskania energii w ogniwie PEMFC należą:

  • Temperatura pracy ogniwa,
  • Temperatura, prędkość przepływu oraz skład i czystość doprowadzanych gazów,
  • Gospodarowanie wodą w układzie,
  • Ciśnienie panujące wewnątrz ogniwa.

Zalety ogniw PEMFC to:

  • Nieskomplikowana budowa i obsługa,
  • Bezpieczna praca (stały elektrolit),
  • Niska temperatura eksploatacji,
  • Łatwy i szybki rozruch,
  • Szybka reakcja na zmiany obciążenia,
  • Brak korozji elementów składowych,
  • Duże moce uzyskiwane z jednostkowej powierzchni geometrycznej w porównaniu z innymi ogniwami.

Wadami tych ogniw są:

  • Wrażliwość na tlenek węgla (CO), który niszczy elektrolit,
  • Wysoka cena katalizatorów i materiałów elektrolitycznych,
  • Krótki czas życia (zaledwie kilkaset godzin),
  • Szybko starzejący się materiał polimerowy na membranę.

Zasadniczymi celami prac badawczych i rozwojowych prowadzonych nad współczesnymi układami polimerowych ogniw paliwowych pozostają jednak, oprócz poprawy sprawności konwersji, poprawa niezawodności i długości ich bezawaryjnego działania oraz obniżenie kosztów produkcji. Wszystkie 3 cele można osiągnąć poprzez stosowanie lepszych i tańszych katalizatorów reakcji elektrodowych, udoskonalenie konstrukcji ogniwa oraz dobór odpowiednich materiałów wszystkich elementów ogniwa. Gdy ogniwo paliwowe zasilane jest paliwem uzyskanym na drodze konwersji węglowodorów, jego sprawność znacznie spada na skutek „zatrucia” platyny tlenkiem węgla (przy udziale CO w gazie paliwowym powyżej 50-100 ppm). Odporność katalizatora platynowego na tlenek węgla można podnieść poprzez podniesienie temperatury pracy polimerowego ogniwa paliwowego. Wymaga to jednak zastosowania, nowych tzw. wysokotemperaturowych membran polimerowych. Prace badawcze w tym kierunku wymagają nie tylko wytworzenia, ale i przebadania pod względem elektrochemicznym, chemicznym i mechanicznym nowego rodzaju membran.

PRZYKŁADY

W programie NASA Gemini wykorzystano ogniwa PEMFC o następujących parametrach: gęstość wytwarzanego prądu elektrycznego 37 mA/cm2, napięcie na pojedynczym ogniwie 0,78 V, ciśnienie 0,2 MPa i temperatura pracy 50°C. Stos zbudowany z 32 ogniw, przy napięciu 25 V, osiągał sprawność ok. 50% (H2/O2).

W Los Alamos National Laboratory w USA opracowano, w oparciu o membranę Nafion, technologię produkcji ogniw wodorowo-powietrznych o temperaturze pracy 80°C z odprowadzaniem pary wodnej zamiast ciekłej wody. Wodór i powietrze są doprowadzane pod ciśnieniem odpowiednio 0,3 MPa i 0,5 MPa. Gęstość wytwarzanego w nim prądu elektrycznego wynosi 200 mA/cm2. W ogniwie tym zawartość platyny wynosi jedynie 0,4 mg/cm2.


W Instytucie Elektrotechniki we Wrocławiu w Pracowni Niekonwencjonalnych Źródleł Energii trwają prace nad konstrukcją modelu skutera elektrycznego, w którym dodatkowym źródłem zasilania jest system ogniw paliwowych.
Napęd hybrydowy skutera składa się akumulatorów oraz stosu polimerowych ogniw paliwowych. W dowolnej chwili funkcję zasilania może przejąć ogniwo paliwowe. Zastosowanie ogniwa paliwowego jako źródła energii elektrycznej zasilającej silnik pojazdu umożliwiło zwiększenie jego zasięgu o około 30 km. System ogniwa paliwowego charakteryzuje się:

  • krótkim czasem rozruchu,
  • szybką odpowiedzią na zmianę obciążenia,
  • czasem pracy ok. 60 min (przy mocy nominalnej 500 W),
  • brakiem emisji zanieczyszczeń, cichą pracą,
  • możliwością generowania większej mocy w krótkotrwałych przedziałach czasowych. Stos pracuje w temperaturze ok. 80 °C oraz posiada dużą sprawność konwersji energii chemicznej paliwa w energię elektryczną (około 50%).

Skuter z napędem elektrycznym z zainstalowanymi ogniwami typu PEMFC

Gazowy wodór do zasilania stosu zmagazynowany jest w zbiorniku ciśnieniowym o pojemności 3,5 dm3 Zbiornik umożliwia zgromadzenie około 35 g wodoru, którego objętość pod ciśnieniem 1 bara (ciśnienie, z jakim gaz podawany jest do ogniwa) wynosi 434 dm3, ilość wystarczająca do zasilania stosu ogniw przez godzinę.

P. Bujło, J. Chmielowiec, G. Paściak, D. Pióro, Ogniwa paliwowe - ekologiczne i wysokosprawne generatory energii, Ekonatura ogólnopolski miesięcznik ekologiczny ISSN 1731-6944, 2006 nr 7 (32).


Warto również podczas opisu ogniw typu PEMFC wspomnieć o Kapilarnym ogniwie typu PEMFC (Capillary Proton Exchange Membrane Fuel Cell - C-PEMFC), którego krótką charakterystykę można znaleźć tutaj.