Ogniwa paliwowe - zasada działania

OGNIWA  PALIWOWE

      W roku 1839 fizyk brytyjski William R. Grove zademonstrował, że podczas elektrochemicznej reakcji łączenia wodoru z tlenem powstaje prąd elektryczny. Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją odpadową jest woda. Jednak oparte na tym zjawisku ogniwa paliwowe przez ponad wiek były zaledwie ciekawostką laboratoryjną. Dopiero w latach sześćdziesiątych obecnego wieku lekkie i zwarte (choć drogie) ich odmiany NASA zaczęła instalować w statkach kosmicznych do zasilania ich w energię elektryczną. Dziś technologię tę, obiecującą czystą ekologicznie, efektywną i cichą pracę, próbuje się wykorzystać w wielu nowych ziemskich zastosowaniach, w tym do zasilania telefonów komórkowych, komputerów przenośnych, domów i mieszkań oraz elektrycznych silników samochodowych. Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 40% - 60%, zaś emisję tlenków azotu o 50% -90%.
 
Jak działa ogniwo paliwowe ?
 
 
      Zasada działania ogniwa paliwowego jest prosta już z założenia. Zarówno zwykłe baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny dzięki reakcjom elektrochemicznym. 
 
Reakcja sumaryczna:  2O2+CH4 -->  2H20 + CO2
 
W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, cały proces zaczyna się od wydzielania czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem.(1). 
 
Reakcje reformowania: CH4 + O2 --> 2H 2 + CO2
 
Powstający przy tym dwutlenek węgla (2) jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu. Następnie wodór trafia do właściwego ogniwa (3), wywołując kolejne reakcje chemiczne: platynowy katalizator na anodzie "wyrywa" z gazu elektrony (4), a dodatnio naładowane jony (protony) "rozpuszczają się" w elektrolicie (5).  
 
Reakcja anodowa: 2H2 --> 4H+ + 4e-  
 
Obojętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechwytuje swobodne elektrony powodując powstanie prądu stałego (8). Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie, wytwarzając wodę (7). 
 
Reakcja katodowa: O2 + 4H+ + 4e- --> 2H20

OGNIWA  PALIWOWE

      W roku 1839 fizyk brytyjski William R. Grove zademonstrował, że podczas elektrochemicznej reakcji łączenia wodoru z tlenem powstaje prąd elektryczny. Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją odpadową jest woda. Jednak oparte na tym zjawisku ogniwa paliwowe przez ponad wiek były zaledwie ciekawostką laboratoryjną. Dopiero w latach sześćdziesiątych obecnego wieku lekkie i zwarte (choć drogie) ich odmiany NASA zaczęła instalować w statkach kosmicznych do zasilania ich w energię elektryczną. Dziś technologię tę, obiecującą czystą ekologicznie, efektywną i cichą pracę, próbuje się wykorzystać w wielu nowych ziemskich zastosowaniach, w tym do zasilania telefonów komórkowych, komputerów przenośnych, domów i mieszkań oraz elektrycznych silników samochodowych. Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 40% - 60%, zaś emisję tlenków azotu o 50% -90%.
 
Jak działa ogniwo paliwowe ?
 
 
      Zasada działania ogniwa paliwowego jest prosta już z założenia. Zarówno zwykłe baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny dzięki reakcjom elektrochemicznym. 
 
Reakcja sumaryczna:  2O2+CH4 -->  2H20 + CO2
 
W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, cały proces zaczyna się od wydzielania czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem.(1). 
 
Reakcje reformowania: CH4 + O2 --> 2H 2 + CO2
 
Powstający przy tym dwutlenek węgla (2) jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu. Następnie wodór trafia do właściwego ogniwa (3), wywołując kolejne reakcje chemiczne: platynowy katalizator na anodzie "wyrywa" z gazu elektrony (4), a dodatnio naładowane jony (protony) "rozpuszczają się" w elektrolicie (5).  
 
Reakcja anodowa: 2H2 --> 4H+ + 4e-  
 
Obojętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechwytuje swobodne elektrony powodując powstanie prądu stałego (8). Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie, wytwarzając wodę (7). 
 
Reakcja katodowa: O2 + 4H+ + 4e- --> 2H2
 
Powstający stały prąd elektryczny zostaje w przetwornicy przekształcony na prąd zmienny (9), z którego łatwiej można korzystać. Jak długo do właściwego ogniwa paliwowego dopływa wodór i tlen, tak długo wytwarza ono prąd elektryczny, ciepło i wodę. Ogólny przebieg procesów przedstawia rysunek poniżej.

6c695b19c75e08841224d326d15cd231.jpg  
 
Tabela 1. Porównanie ogniw paliwowych
a6c3cd4b11a86b71b8bdd12dd104a5ab.jpg
  
Rodzaje ogniw paliwowych  
 
      Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, różniących się między sobą konstrukcją, materiałem elektrod, rodzajem elektrolitu i katalizatorów. W ogniwach wytwarzających energię elektryczną i wodę, przeznaczonych dla promów kosmicznych, NASA stosuje np. wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi i niezawodnymi urządzeniami, mającymi za sobą dorobek długotrwałych prac badawczo-rozwojowych, są ogniwa wykorzystujące kwas fosforowy (PAFC - phosphoric acid fuel cell) oraz ogniwa z membranami polimerowymi. Zasadniczo rozróżnia się dwa typy ogniw:
 
- Ogniwa o alkaicznym elektrolicie. Elektrolitem w takim ogniwie przeważnie jest roztwór KOH.
 

Reakcje w ogniwie alkalicznym:

a7219d9448e7f76ad5e8c4cbdb951f74.jpg

 
- Ogniwa o kwaśnym elektrolicie (również ogniwo z membraną polimerową). Ogniwo takie posiada w elektrolicie ruchome kationy wodoru, które grają tu kluczową rolę.
 

Reakcje w ogniwie kwaśnym:

8865562ab533a07325e42d2a7b77ae94.jpg

 
Zastosowanie ogniw paliwowych.
 

        Na praktyczne zastosowanie ogniw paliwowych musimy jeszcze poczekać. Ważnym czynnikiem ograniczającym rozwój tej nowoczesnej technologii jest nieubłagana ekonomia. Budowa konwencjonalnej elektrowni jest znacznie tańsza od obiektu z ogniwami paliwowymi. A bez zamówień na ogniwa paliwowe producenci nie mogą uruchomić ich masowej, a więc tańszej i zautomatyzowanej produkcji. Zainteresowane firmy szacują, że uruchomienie produkcji ogniw o łącznej mocy 200 MW rocznie pozwoliłoby obniżyć ich cenę detaliczną o połowę.
Następuje obecnie komercjalizacja ogniw paliwowych w trzech dziedzinach: napędu samochodów, gdzie trudno zdystansować silniki spalania wewnętrznego, energetyki, w której następuje odejście od scentralizowanych systemów megawatowych elektrowni do małych elektrociepłowni na użytek domowy, i zasilania elektronicznych urządzeń przenośnych, w których ogniwa paliwowe mogą z powodzeniem zastąpić stosowane obecnie akumulatory.
        Przedstawione dotychczas, jeżdżące prototypy dokumentują wielkość i komplikację tych instalacji. Zamontowane w samochodach kombi czy minivanach pozostawiają miejsce na najwyżej dwóch osób. Poza objętością tego systemu zasilania, walczy się z jego masą. Obecnie, przy mocy wyjściowej na kołach ok. 45 kW, masa kompletnej instalacji pozyskiwania wodoru z metanolu, ogniwa, silnika itd. przekracza 600 kg (ok. 14 kg/1 kW). W powszechnej opinii, projektowanie systemu do nowego samochodu, zamiast dostosowania go do istniejących nadwozi, już ułatwi optymalizację objętości i masy jednostkowej do 8 kg/kW, co przy wprowadzeniu dodatkowych rozwiązań konstrukcyjnych, jak opony o niskim oporze, lekkie i aerodynamiczne nadwozia, umożliwiałoby seryjne zastosowanie ogniw. Ten wielki wysiłek ma być na końcu uwieńczony nagrodą w postaci napędu o emisji CO i NOX stanowiącej pojedyncze procenty w porównaniu z obecnymi silnikami spalinowymi, emisja wodorotlenków zmniejszy się 10 - krotnie.
 
3fb6d0275fdc0be0e88b9fa119d206b7.jpg

 

 
DOMOWA ELEKTROCIEPŁOWNIA (lokalne zaopatrzenie w energię cieplną i elektryczną z wykorzystaniem ogniw paliwowych)
 
        Obecnie energię elektryczną dla przemysłu i gospodarstw domowych produkują wielkie elektrownie. Produkcja ta jest opłacalna i stanowi podstawę bezpiecznych dostaw energii. Jednak przesyłanie energii elektrycznej oznacza straty rzędu 3 - 7%, a zagadnienie wykorzystania ciepła odpadowego - przynajmniej na poziomie 50 - 70% energii pierwotnej - wiąże się ściśle z koniecznością całorocznego utrzymania produkcji i lokalizacją elektrowni: w przypadku zakładów oddalonych od dużych skupisk ludności jest to szczególnie trudne. Ekonomiczną dystrybucję energii cieplnej i zminimalizowanie strat przesyłania może zapewnić tylko produkcja energii w miejscu jej zużycia. Grzewcze ogniwo paliwowe to zdecydowany krok naprzód - wytwarza energię cieplną i elektryczną w sprzężonym procesie bezpośrednio w budynkach i dlatego nadaje się do zastosowania niemal w każdym obiekcie przyłączonym do sieci gazowej. Ogniwa paliwowe zastosowane w GOP mogą pokryć lwią część zapotrzebowania obiektu na energię cieplną i elektryczną. Pokrycie zwiększonego zapotrzebowania na ciepło w szczególnie zimne dni zapewnia wbudowany kocioł kondensacyjny.
Dzięki sprawności elektrycznej wynoszącej 35 - 40% i łącznej sprawności przekraczającej 80% GOP zapewnia niemal idealne połączenie produkcji ciepła i energii elektrycznej w pojedynczych obiektach. Straty na dystrybucji energii cieplnej nie występują, straty przesyłu energii elektrycznej są znacznie obniżone.
 
   
 

Ogniwa paliwowe w kotle grzewczym

83161538d474696843d9be2bb71dbdf1.jpg

 
Inne alternatywne źródła energii (w stosunku do spalania paliw kopalnych)
 
Ogniwa paliwowe należą do grupy źródeł energii, z którymi wiąże się nasza przyszłość ta bliższa jak i ta dalsza. Spalanie kopalin takich jak ropa naftowa, gaz ziemny (najbardziej ekologiczne teraźniejsze paliwo kopalne), węgiel (Polska ma tu duży problem, większość naszej energetyki opiera się na węglu - paliwie trucicielu) przyczynia się do wzrostu globalnego ocieplenia. Tanie, niewyczerpalne i nieograniczone - takie kryteria przyjęto w poszukiwaniach nowych źródeł energii na potrzeby XXI wieku. O ogniwach paliwowych już wspomniałem bo taki był tytuł mojego referatu ale chciałbym nadmienić tu też o innych źródłach energii dla uzupełnienia całości, jak i o potencjalnym zainteresowaniu potencjalnego czytelnika. Naukowcy dostrzegają trzy niewyczerpalne źródła energii: 
 
- fuzja termojądrowa,
- reaktory powielające,
- energia słoneczna.

Źródło: www.wme.pwr.wroc.pl; energia odnawialna

 

Źródło: www.wme.pwr.wroc.pl