Ogniwa Paliwowe - Zasada Działania

Ogniwa paliwowe (fuel cells) to urządzenia, które energię chemiczną paliwa i utleniacza zamieniają bezpośrednio w energię elektryczną. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza. Pozwala to na uniknięcie emisji szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, siarki, węglowodorów (powodujących powstawanie dziury ozonowej) oraz tlenków węgla.

Budowa ogniwa paliwowego

Takie wytwarzanie energii elektrycznej jest już dobrze znane, gdyż zachodzi również w ogniwach galwanicznych pierwotnych (jednorazowego użytku, potocznie zwanych bateriami) oraz ogniwach galwanicznych wtórnych (potocznie zwanych akumulatorami). Cechą wyróżniającą ogniwa paliwowe jest to, że substancje elektroaktywne (paliwo i utleniacz), które uczestniczą w reakcjach elektrodowych, dostarczane są z zewnątrz ogniwa. W tradycyjnych ogniwach jednorazowych, substancje te znajdują się wewnątrz urządzenia, co skutkuje tym, że po ich wyczerpaniu ogniwo nadaje się w najlepszym razie do recyklingu. W akumulatorach substancje elektroaktywne można "zregenerować" podczas ładowania, ale ilość takich cykli (ładowanie - rozładowanie) jest ograniczona żywotnością akumulatora. Ogniwo paliwowe teoretycznie więc powinno działać tak długo, jak długo dostarczamy do niego paliwo i utleniacz z zewnątrz, w praktyce natomiast degradacja, głównie korozja albo niesprawności poszczególnych komponentów ograniczają rzeczywisty czas życia ogniwa.

Jako urządzenie elektrochemiczne, ogniwo paliwowe nie podlega ograniczeniom wynikającym z zasady Carnot'a, która określa sprawność silnika cieplnego. Teoretycznie elektrochemiczne źródło energii elektrycznej, w którym zachodzące reakcje są w pełni odwracalne, mogłoy posiadać sprawność 100%. W rzeczywistości jednak sprawność takiego urządzenia jest niższa i waha się w zakresie od 40% do 80% w zależności od rodzaju ogniwa.

Aby reakcje elektrochemiczne zachodziły z odpowiednią ciągłością, elektrony muszą być stale wytwarzane na anodzie i dostarczane do katody. Konieczny jest również swobodny przepływ jonów pomiędzy elektrodami. W ogniwach paliwowych elektrony docierają do katody z pominięciem elektrolitu, poprzez zewnętrzny obwód elektryczny. Płynące w nim elektrony mogą wykonać pracę - ogniwo staje się źródłem siły elektromotorycznej. Z kolei jony wędrują pomiędzy elektrodami poprzez elektrolit. Elektrolit musi być więc dobrym przewodnikiem jonów i jednocześnie jak najsłabszym przewodnikiem elektronów - w przeciwnym razie elektrony płynęłyby przezeń z pominięciem zewnętrznego obwodu i ogniwo nie mogłoby funkcjonować.

We współczesnych ogniwach paliwowych najczęściej wykorzystywanym paliwem jest wodór (H2), natomiast utleniaczem jest tlen (O2) dostarczany do urządzenia w czystej postaci lub wraz z powietrzem atmosferycznym. Nie oznacza to jednak, że w ogniwach paliwowych nie wykorzystuje się innych paliw. Obecnie trwają intensywne badania nad ogniwami zasilanymi bezpośrednio metanolem CH3OH i węglem (w różnych postaciach), paliwem może być również metan CH4, kwas mrówkowy HCOOH, hydrazyna N2H4, a także amoniak NH3.

Wodór jest najczęściej wybieranym paliwem w większości ogniw, w związku z jego wysoką reaktywnością w obecności odpowiednich katalizatorów, możliwością wyprodukowania go z węglowodorów oraz wysoką gęstością energii kiedy zgromadzony jest w postaci płynnej pod wysokim ciśnieniem w niskiej temperaturze. Niestety, choć wodór jest jednym z najpopularniejszych pierwiastków na Ziemi, występuje on głównie w związkach chemicznych, przede wszystkim jako woda. Można pozyskać wodór z wody w procesie elektrolizy, ale niestety w proces ten trzeba włożyć znaczną ilość energii. Poszukuje się zatem i próbuje wykorzystać inne źródła wodoru. Stosując dodatkowe urządzenia, można oddzielić i wykorzystać wodór zawarty w różnych substancjach, np. w metanie, metanolu, etanolu, węglowodorach, biogazie, itp. Interesująco zapowiada się możliwość wytwarzania wodoru z pomocą bakterii lub alg. Poza otrzymywaniem wodoru dodatkowy problem stanowi jego magazynowanie. Magazynowanie i transport wodoru wymaga uprzedniego sprężania do określonego ciśnienia lub sprowadzania do postaci ciekłej. Są to procesy bardzo energochłonne. Oznacza to, że użytkowanie wodoru w postaci gazowej lub ciekłej czyniłoby ogniwa paliwowe mało efektywne ze względu na uniwersalność zastosowania. Najbardziej popularnym utleniaczem stosowanym w ogniwach paliwowych jest tlen, który można tanio otrzymać z powietrza i łatwo zmagazynować.

Porównanie cech i parametrów pracy podstawowych typów ogniw paliwowych (ang.)

Badania naukowe i przemysłowe w zakresie ogniw paliwowych koncentrują się obecnie na:

  • Doskonaleniu konstrukcji i technologii ogniw (nowe konstrukcje i rodzaje elektrod, nowe rozwiązania dla elektrolitów, poszukiwanie nowych katalizatorów, itd.),
  • Poprawie sprawności procesów elektrochemicznych,
  • Doskonaleniu procesów przygotowania paliwa,
  • Możliwości zastosowania biomasy i paliw odpadowych (procesy zgazowania biomasy, odpadów, procesy oczyszczania gazów syntezowych),
  • Zwiększeniu trwałości i żywotności ogniw,
  • Budowie ogniw rewersyjnych (przygotowanie instalacji akumulacyjnych i współpraca z energetyką źródeł odnawialnych).

Do najważniejszych przyczyn intensywnego rozwoju technologii ogniw paliwowych, zalicza się, między innymi:

  • Istotne zalety ekologiczne,
  • Wysoką sprawność wytwarzania energii elektrycznej (powiększaną dodatkowo w układach skojarzonych),
  • Dobrą jakość energii elektrycznej,
  • Modułową budowę,
  • Dywersyfikację surowca energetycznego (z możliwością włączenia lokalnych źródeł energetycznych),
  • Możliwość wykorzystania ogniw w całym zakresie mocy elektrycznej (od We do MWe) w różnorodnych zastosowaniach.