Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe (z ang. „fuel cell”) to urządzenie, które energię chemiczną paliwa i utleniacza zamienia 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

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.

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.

Ogniwo paliwowe jest to ogniwo galwaniczne, w którym paliwo – wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami – jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz – tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) – podawany jest w sposób ciągły do katody. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody. Zamknięcie obwodu odbywa się dzięki jonom, które są przenoszone przez elektrolit . W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło. Do ogniwa paliwowego reagenty podawane są w sposób ciągły i teoretycznie nie ulega ono rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.Bateria ogniw paliwowych tzw. stos, składa się z pojedynczych elementów, z których każdy zawiera anodę, katodę i matrycę elektrolitową. Elementy są przedzielone płytami bipolarnymi, wyposażonymi w kanały dopływu reagentów

Źródło: www.imiue.polsl.pl

Według zastosowania i związanej z tym mocy elektrycznej ogniwa paliwowe można podzielić na następujące grupy:
1. Układy przenośne małej mocy elektrycznej (poniżej 0,5 kWe), oparte na ogniwach PEMFC i DMFC (zdalne urządzenia, laptopy, telefony komórkowe, aparaty fotograficzne itd.)
2. Stacjonarne układy małej mocy w przedziale od 1 kWe do 10 kWe, głównie oparte na ogniwach PEMFC i SOFC do zastosowań domowych i użyteczności publicznej (pralnie, zasilanie awaryjne, sygnalizacja świetlna itp.)
3. Ogniwa PEMFC w sektorze transportu w zakresie mocy 50-100 kWe i wyższej (samochody, pojazdy ciężkie czy wózki widłowe),
4. Stacjonarne układy średniej mocy (od 10 kWe do 200 kWe i wyżej), mające zastosowania komunalne i inne (szkoły, szpitale, komisariaty policji, budynki przemysłowe, centra obliczeniowe, terminale lotnicze, utylizacja odpadów, małe elektrownie i obiekty wojskowe)
5. Stacjonarne układy energetyczne dużej mocy (powyżej 1 MW). Ogniwa te zasilają elektrownie, dostarczając energię w układach skojarzonych i kombinowanych (obecnie trochę powyżej 10 MW) oraz duże zakłady przemysłowe

– Ogniwo paliwowe produkuje energię elektryczną z paliw węglowodorowych bezpośrednio i stąd wynika względna prostota układu przetwarzania energii chemicznej na elektryczną.
– Duża sprawność przetwarzania energii chemicznej na elektryczną wyprzedzająca inne przetworniki energii
– Sprawność ogniwa paliwowego w niewielkim stopniu od wymiarów urządzenia
– Produkty uboczne jak H2O, CO2, N2 są czyste i bez zapachu
– Emisja SO2, NOX, węglowodorów, tlenków węgla i cząstek stałych jest bardzo mała
– Niski poziom hałasu
– Praktycznie dowolna i zajmująca mało miejsca lokalizacja
– System modułowy: łatwa, szybka i ekonomiczna budowa
– Łatwość rozbudowy w miarę rosnących potrzeb
– Ogniwa paliwowe mogą pracować bez przerwy o ile tylko doprowadzane jest paliwo i utleniacz
– Bardzo dobra regulacyjność – ogniwo paliwowe samoczynnie dobiera paliwo i utleniacz w ilościach odpowiadających obciążeniu po stronie elektrycznej
– Możliwość bardzo dużych przeciążeń chwilowych oraz pracy z niskimi obciążeniami, brak biegu jałowego

– Niskie napięcie prądu uzyskiwane z pojedynczej celi (< 1 V)
– Produkcja prądu stałego (czasami jest to zaletą)
– Drogie materiały na katalizatory
– Stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z modułu.Ogniwa paliwowe to technologia nowoczesna, ciągle na etapie rozwoju, w szczególności w aspekcie magazynowania wodoru. Rzeczywista sprawność energetyczna ogniw paliwowych jest rzędu 70%, przy jednoczesnym wykorzystaniu ciepła.