1

Historia

• Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838r szwajcarski chemik Christian F.

Schönbein

• Na tej podstawie w roku 1839 fizyk brytyjski William R. Grove stworzył pierwsze

działające ogniwo paliwowe wytwarzające prąd elektryczny

• Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją

odpadową jest woda

• Ogniwa paliwowe przez ponad wiek były zaledwie ciekawostką laboratoryjną
• Dopiero w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku lekkie i zwarte ich odmiany

NASA zaczęła instalować w statkach kosmicznych do wytwarzania wody i zasilania
ich w energię elektryczną

Zastosowanie

• Energetyka
• Sondy i statki kosmiczne
• Systemy zasilania awaryjnego
• Dostarczanie energii w miejscach pozbawionych dostępu do sieci energetycznej
• Urządzenia mobilne (telefony, laptopy)
• Samochody na wodór

2

Typ ogniwa

Temp pracy
[°C]

Rodzaj elektrolitu Paliwo

Utleniacz

Sprawność
[%]

Alkaliczne
(AFC)

80-90

Roztwór
alkaliczny KOH,
NaOH

Wodór

O2/pow.

50-65

Polimerowe
(PEMFC)

70-90

Membrana
polimerowa

Wodór,
reformowany
metanol lub
metan

O2/pow.

50-65

Fosforowe
(PAFC)

160-220

Kwas fosforowy
H3PO4

Wodór,
reformowany
metan

Pow.

35-45

Węglanowe
(MCFC)

650

Węglan potasu
K2CO3

Wodór, metan,
gaz węglowy

Pow.

45-60

Tlenkowo-
ceramiczne
(SOFC)

850-1000

Tlenek cyrkonu i
tlenek irtu
ZrO2, Y2O3

Wodór, metan,
gaz węglowy

Pow.

50-60

3

Ogniwa alkaliczne AFC

Reakcje:

Katoda:











OH

O

H

e

O

4

2

4

2

2

Anoda:













e

O

H

OH

H

4

4

4

2

2

2

Etapy pracy ogniwa:

•

Absorpcja i jonizacja cząsteczki tlenu na katodzie i dwóch cząsteczek

wodoru na anodzie

•

Absorpcja i jonizacja dwóch cząsteczek wody na katodzie oraz

jonizacja czterech atomów wodoru do protonów i elektronów na
anodzie

•

Migracja czterech jonów OH

-

przez elektrolit od katody do anody

•

Reko

mbinacja czterech protonów i czterech jonów OH

-

do czterech

cząsteczek wody i jej wydalenie na anodzie

4

OGNIWA TLENKOWO-CERAMICZNE SOFC

• Anoda: tzw. cermet niklowy (Ni-YSZ), o zawartości 30% Ni
• Katoda: tzw perowskit (La,Sr)MnO3
• Membrana: tlenek cyrkonu (ZrO2) + tlenek irtu (Y2O3) – bardzo dobry przewodnik

jonów tlenu w wysokich temp.

• Temperatura reakcji w ogniwie: 650-1000°C
• Stosowane paliwa: węglowodory gazowe
• Niewrażliwe na zanieczyszczenia paliwa tlenkami węgla i siarką
• Sprawność kogeneracji energii elektrycznej i ciepła – 85%

Reakcje:
Katoda:
Anoda:
Etapy pracy ogniwa:

1. Absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie i dwóch cząsteczek wodoru na anodzie
2. Jonizacja dwóch atomów tlenu na katodzie oraz jonizacja czterech atomów wodoru do

protonów na anodzie

3. Migracja dwóch anionów tlenu przez elektrolit od katody do anody
4. Rekombinacja na anodzie 2 anionów tlenu i 4 protonów do 2 cząsteczek wody i jej

wydalenie









2

2

2

4

O

e

O











e

O

H

O

H

4

2

2

2

2

2

2

5

6

7

Paliwo

Źródło

Magazynowanie

Bezpieczeństwo

Wodór

-

-

-

Benzyna

Ropa naftowa

Konwencjonalne

Niska temperatura zapłonu,
niewysoka granica
łatwopalności, przy
wchłanianiu rakotwórcza

Metanol

Gaz ziemny, biomasa

Działa korozyjnie na gumę,
tworzywa sztuczne i niektóre
metale

Toksyczny, absorbowany przez
skórę, ma niedostrzegalny
płomień

Etanol

Zboża, słoma,
drewno, odpady
organiczne

Działa korozyjnie na gumę,
tworzywa sztuczne i niektóre
metale

Szeroka granica łatwopalności,
mniej toksyczny niż metanol

Metan

Zasoby
nieodnawialne,
węgiel

Wymaga kompresji przy
uzupełnianiu paliwa oraz
zabezpieczania przed
odparowywaniem

Niska temperatura zapłonu, nie
jest rakotwórczy, rozprasza się
w powietrzu

8

9

10