O

gniwa paliwowe robi¹ obecnie zawrotn¹ karierê
medialn¹. W dobie k³opotów z rop¹ naftow¹, pra-
wie w przededniu kryzysu paliwowego, uznawane

s¹ za technologiê przysz³oœci, futurystyczny pomys³,
maj¹cy umo¿liwiæ normalne funkcjonowanie gospodar-
ki œwiatowej po wyczerpaniu zapasów ropy naftowej.
Ma³o kto pamiêta, ¿e ogniwa paliwowe s¹ tak samo
starym wynalazkiem, jak silnik spalinowy.

Podsumujmy to, czego mo¿na siê dowiedzieæ

z lektury prasy codziennej – ogniwa paliwowe wytwa-
rzaj¹ energiê elektryczn¹, czerpi¹c j¹ z reakcji chemicz-
nych. Paliwem jest wodór lub alkohol metylowy, a pro-
duktami reakcji, czyli spalinami, czysta woda. Wystar-
czy zatankowaæ i ju¿ ma siê do dyspozycji du¿o energii.
Niepotrzebne jest ³adowanie akumulatorów. Czy to
mo¿liwe, ¿e wszystko jest a¿ tak proste?

J A K T O D Z I A £ A ?

Ogniwo jest zasilane czystym wodorem i tlenem

w postaci cząsteczkowej – H

2

i O

2

.

Do pełnej reakcji potrzebna jest jedna cząsteczka

tlenu O

2

i dwie wodoru H

2

.

Na anodzie każda z cząsteczek wodoru H

2

rozpa-

da się na dwa jony dodatnie H

+

oddając po dwa

elektrony anodzie. Reakcję taką nazywamy dyso-

cjacją. Elektrony przepływają przez instalację elek-

tryczną, czyli mamy prąd!

Membrana półprzepuszczalna przepuszcza tylko

jony dodatnie. Ta jej właściwość pozwala na pra-

widłowe działanie ogniwa.

Po stronie katody w ogniwie paliwowym łączą się

jony O

2

–

, H

+

i elektrony swobodne, dając w rezul-

tacie cząsteczkę obojętnej elektrycznie wody.

Do pełnego bilansu brakuje jeszcze drugiej cząs-

teczki wody. Razem reakcję tę możemy zapisać:

O

2

+2H

2

–––––> 2H

2

O + energia elektryczna + ciepło

Podstawowym rodzajem ogniwa, tym, od które-

go wszystko siê zaczê³o w 1842 roku, jest ogniwo zasi-
lane czystym wodorem. W tym roku sir William R. Gro-
ve przeprowadzi³ eksperymenty potwierdzaj¹ce wczeœ-
niejsze odkrycia niemieckiego uczonego Christiana
Friedricha Schönbeina. Sir William R. Grove uruchomi³
wkrótce generator elektryczny sk³adaj¹cy siê z 10 poje-
dynczych ogniw.

6

5

4

3

2

1

M

Ł

ODY

TECHNIK

12/2005

4

41

1

j a k t o d z i a ł a

1

2

3

4

5

6

O

2

H

2

O

2

H

2

H

2

H

2

H

2

H

2

O

O

2–

O

2–

O

2–

H

+

H

+

H

+

H

+

e

–

e

–

e

–

H

2

O

O

2–

H

+

H

+

e

–

e

–

OGNIWA

PALIWOWE

1

j a k t o d z i a ł a

Sercem ogniwa paliwowego jest pó³przepusz-

czalna membrana rozdzielaj¹ca katodê i anodê, przez
któr¹ mog¹ przenikaæ tylko jony na³adowane dodatnio.

Z wodoru i tlenu uzyskujemy wodê, ciep³o

i energiê elektryczn¹. W przypadku innych ogniw pali-
wowych, inne mog¹ byæ paliwa, metody elektrolizy
i jony przenosz¹ce ³adunek, ale zasada pozostaje ta sa-
ma. Jest to wiêc reakcja utleniania. Jest to cecha
wspólna wszystkich ogniw paliwowych, gdy¿ si³¹ na-
pêdow¹ w ogniwie paliwowym jest naturalna d¹¿noœæ
do stanów o ni¿szej (chemicznej) energii swobodnej.
Wodór i tlen s¹ w swojej obecnoœci niestabilne i spon-
tanicznie tworz¹ wodê. Produkt (woda) ma ni¿sz¹ ener-
giê swobodn¹ ni¿ substraty (wodór i tlen). Gdy rozdzie-
limy membran¹ redukcjê i utlenianie, ró¿nica energe-
tyczna pomiêdzy substratami i produktami mo¿e zostaæ
przetworzona w energiê elektryczn¹. To zupe³nie tak,
jakby zapanowaæ nad wybuchowym procesem spalania
wodoru w tlenie, zamieniaj¹c czêœæ energii na pr¹d
elektryczny.

Maksymalne napiêcie pojedynczego ogniwa nie

przekracza 1V. W praktyce wiele ogniw musi pracowaæ
w po³¹czeniu. Zazwyczaj ³¹czy siê kilka ogniw w pa-
kiet. Przez zmianê liczby i wielkoœci ogniw system og-
niw paliwowych mo¿e zostaæ dostrojony do niemal ka¿-
dych wymagañ.

S A M E Z A L E T Y ?

Niestety nie. W latach 60. zastosowano ogniwa

paliwowe w statkach kosmicznych. Do produkcji ogniw
paliwowych stosowano wówczas niezwykle drogie ma-
teria³y, a do ich dzia³ania by³y potrzebne bardzo wyso-
kie temperatury oraz bardzo czysty tlen i wodór. Koszt
ich wytworzenia siêga³ wówczas 100 tysiêcy dolarów

za kilowat, jednak zdecydowano siê na ich u¿ycie, gdy¿
wodór i tlen wykorzystywano jako paliwo i dziêki temu
na statkach kosmicznych by³y dostêpne w du¿ych iloœ-
ciach.

Obecnie prowadzi siê prace nad innymi materia-

³ami stosowanymi do budowy ogniw, pozostaj¹ jednak
problemy zwi¹zane ze starzeniem siê ogniw paliwo-
wych. Zanieczyszczenia zawarte w paliwie powoduj¹
stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieu-
chronnie ogranicza przep³yw jonów wodoru i tlenu,
zmniejszaj¹c wydajnoœæ pr¹dow¹.

N I E T Y L K O W O D Ó R

Jako paliwo najproœciej by³oby wykorzystywaæ

wodór, ale lepiej u¿ywaæ gazu ziemnego, którego g³ów-
nym sk³adnikiem (oko³o 90%) jest metan CH

4

, zaœ naj-

bezpieczniej – metanolu CH

3

OH.

W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziem-

nym, ca³y proces zaczyna siê od wydzielania czystego
wodoru w urz¹dzeniu zwanym reformerem. Powstaj¹cy
przy tym dwutlenek wêgla jest usuwany na zewn¹trz.
Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu.

Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, ró¿ni¹-

cych siê miêdzy sob¹ konstrukcj¹, materia³em elektrod,
rodzajem elektrolitu i katalizatorów. W ogniwach wy-
twarzaj¹cych energiê elektryczn¹ i wodê, przeznaczo-

elektrolit

OH

–

katoda

anoda

H + 2 OH

2

–

2H O + 2e

2

–

H

+

H

2

2H + 2e

+

–

H

2

2H + 2e

+

–

H + CO

2

3

2–

H O + CO + 2e

2

2

–

H O + 2e

2

–

H + O

2

2–

CO

3

2–

O

2–

H

+

2OH

–

O + H

2e

2

–

2

O +

1

2

O + 2H

2e

2

–

+

+

1

2

H O

2

O + 2H

2e

2

–

+

+

1

2

H O

2

2

2–

CO

3

O + CO

2e

2

–

2

+

1

2

O

2–

O + 2e

2

–

1

2

LEKSYKON

Energia swobodna

w termodynamice to część energii

wewnętrznej, która może być w danym procesie uwolniona

na zewnątrz układu (np. w reakcji chemicznej połączonej

ze zmianą temperatury i ciśnienia).

Anoda czy katoda?

Elektroda, przez którą elektrony wypływają z rozważanego

ośrodka nazywamy anodą. Dlatego w ogniwach galwa-

nicznych (i innych elementach czynnych) anoda jest nała-

dowana ujemnie zaś np. w lampie oscyloskopowej (i in-

nych elementach elektronicznych) anoda to elektroda na-

ładowana dodatnio.

Elektrolit

Paliwo

Temperatura

pracy

Zasada potasowa KOH

Czysty wodór

70–220°C

Stężony kwas fosforowy

Wodór, gaz ziemny

130–220°C

Membrana polimerowa

Wodór,

<120°C

reformowany metanol

Stopiony węglan Li/K

Wodór, gaz ziemny

600–800°C

Ceramika tlenkowa

Wodór, gaz ziemny

700–1000°C

M

Ł

ODY

TECHNIK

12/2005

4

42

2

2

nych dla promów kosmicznych, NASA stosuje np.
wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi
i niezawodnymi urz¹dzeniami, maj¹cymi za sob¹ do-
robek d³ugotrwa³ych prac badawczo-rozwojowych,
s¹ ogniwa wykorzystuj¹ce kwas fosforowy oraz ogni-
wa z membranami polimerowymi.

W poszukiwaniu mocniejszych i trwalszych

Ÿróde³ energii elektrycznej naukowcy siêgaj¹ po
mniej znane i ma³o opanowane rozwi¹zania ogniw
paliwowych ze stopionymi wêglanami i zestalonymi
tlenkami. Oba rodzaje maj¹
przetwarzaæ paliwo na pr¹d
elektryczny ze sprawnoœci¹
50% – 60%. Ogniwa te charak-
teryzuj¹ siê wysok¹ tempera-
tur¹ pracy. Ogniwa ze stopio-
nymi wêglanami pracuj¹
w temperaturze 650 stopni
Celsjusza, a ogniwa tlenkowe
w temperaturze zbli¿onej do
1000 stopni Celsjusza. Oznacza to, ¿e powstaj¹ca ja-
ko produkt uboczny woda ma postaæ pary przegrza-
nej, któr¹ mo¿na wykorzystywaæ do napêdzania kon-
wencjonalnej turbiny parowej z dodatkowym genera-
torem elektrycznym albo do grzania wody. Wysoka
temperatura pracy umo¿liwia te¿ bezpoœrednie wy-
korzystywanie gazu ziemnego jako paliwa (zamiast
czystego wodoru).

Informacje na temat ogniw paliwowych do nu-

meru tego i poprzedniego zaczerpniêto z Internetu
(www.fuelcell.no i www.wikipedia.org) oraz archi-
wum redakcji.

!

M

Ł

ODY

TECHNIK

12/2005

4

43

3

Trzy ogniwa paliwowe połączone w pakiet dają łącznie napięcie 3V.

Kanaliki powietrzne i wodorowe połączone są w dwa osobne labi-

rynty. Labirynt z połączonych kanalików powietrznych służy do do-

starczania do katody tlenu i odprowadzania wody. Labirynt z kanali-

ków wodorowych dostarcza do anody paliwo czyli wodór.