OGNIWA PALIWOWE

•

Proces spalania paliw jest wysoce nieodwracalny, wywołuje znaczne

straty. Dlatego elektrownie cieplne oparte na spalaniu paliw mają małą
sprawność egzergetyczną nie przekraczającą 40%.

•Egzergia jest to maksymalna zdolność do wykonywania pracy w stosunku
do

otaczającej

przyrody

(wykorzystanie

otoczenia

jako

ź

ródła

energetycznie bezwartosciowego ciepła i bezwartosciowych substancji)

• Straty egzergii, towarzyszące nieodwracalnemu spalaniu i przekazywaniu
ciepła od spalin do czynnika obiegowego, można wyeliminować, realizując
bezpośrednią zamianę energii chemicznej w elektryczną w tzw. ogniwach
paliwowych.

• Zapewniają one uzyskanie wysokiej sprawności egzergetycznej
(ponad 60%).

• Pierwsze eksperymenty w tej dziedzinie przeprowadzał E. Justi,
który zbudował ogniwo węglowe składające się z elektrody
węglowej (siatka druciana wypełniona węglem), elektrody
tlenowej (naczynie żelazne pokryte warstwą Fe304 zasilaną i
aktywowaną stale doprowadzanym tlenem) i elektrolitu (porowate
naczynie ceramiczne napełnione roztworem sody).

• Ogniwo to zaczyna działać po podgrzaniu do temperatury ~
1000 K. Realizacja techniczna tego ogniwa napotyka na trudności
wynikające między innymi z zawartości popiołu w węglu.

Najnowsze badania koncentrują się głównie na ogniwach zasilanych paliwem
gazowym. Na rysunku przedstawiono schemat ogniwa wodorowego Bacona. Do
komór ogniwa doprowadza się tlen i wodór pod ciśnieniem 2—5 MPa. Proces
przebiega w temperaturze ~ 500 K. Elektrody są sporządzone z porowatego spieku
niklowego (po stronie gazowej pory mają rozmiar około 32 µm, po stronie
elektrolitu około 16 µm).

Schemat ogniwa wodorowo-tlenowego

Między elektrodami znajduje się ciekły elektrolit (roztwór wodny KOH). Ujemne
jony OH



wędrują do anody ogniwa, gdzie oddają elektrony i reagują z wodorem,

tworząc H

2

O według reakcji

Reakcja przebiega w zewnętrznych porach elektrody. Gromadząca się w nich woda
zostaje uniesiona przez cyrkulujący wodór i następnie skroplona i oddzielona w
chłodnicy. Dodatnie jony K

+

wędrują do katody ogniwa, gdzie na skutek reakcji z

tlenem i H

2

O tworzy się KOH

Sumaryczne równanie reakcji jest więc równaniem utleniania wodoru. Ogniwa

wodorowe są niedogodne ze względu na wysoki koszt bardzo czystych gazów (a
szczególnie wodoru) niezbędnych do zasilania ogniwa. Dlatego podjęto próby
zbudowania ogniw paliwowych zasilanych węglowodorami.

Pracę maksymalną ogniwa paliwowego można wyznaczyć za pomocą równań

termodynamicznych. Na podstawie pracy maksymalnej i prawa Faradaya można
obliczyć teoretyczną siłę elektromotoryczną ogniwa E

max

ν

E

max

F=L

tmax

gdzie

ν

— liczba elektronów występujących w równaniu stechiometrycznym

reakcji,
F

= 96 487 • 10

3

C/kmol elektronów - stała Faradaya

Na każdy atom tlenu przypadają w reakcji utleniania dwa elektrony. Stąd liczba
elektronów występujących w równaniu stechiometrycznym

ν

= 4 n

omin

W ogniwie rzeczywistym występują zjawiska nieodwracalne, wskutek czego siła
elektromotoryczna jest mniejsza od wynikającej ze wzoru

Bilans energii pozwala wyznaczyć ilość ciepła wyprowadzonego z ogniwa
paliwowego. W odniesieniu do liczby kilomoli występującej w równaniu
stechiometrycznym otrzymuje się

Q

w

= I’ – I” – L

t

= I’ – I” -

ν

EF

gdzie I’, I” — entalpia (chemiczna + fizyczna) substancji doprowadzanych do
ogniwa i wyprowadzanych z ogniwa.
Im mniej sprawnie działa ogniwo, tym większa jest ilość wyprowadzonego ciepła.
Sprawność egzergetyczną ogniwa określa stosunek wykonanej pracy do egzergii
substratów, powiększonej o ewentualne zużycie egzergii na podgrzewanie ogniwa

gdzie Q

d

—

zużycie ciepła na utrzymanie podwyższonej temperatury ogniwa

Metanolowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem

(DMFC - Direct Methanol Fuel Cell)

Elektrolitem jest membrana polimerowa. W procesie rozkładu zachodzącego na anodzie
następuje bezpośrednie pozyskanie wodoru z ciekłego metanolu, z pominięciem procesu
reformingu paliwa. W temperaturze około 60°C uzyskuje się wydajność 40%, w wyższej
temperaturze wydajność wzrasta.

Powyższe ogniwa mogą pracować w systemie regeneratywnych ogniw paliwowych

(RFC - Regenerative Fuel Cell). Tego typu ogniwa pracują w cyklu zamkniętym (rys. 10). Wodór i
tlen uzyskuje się w procesie elektrolizy bezpośrednio z wody. Źródłem energii dla tego procesu
jest ogniwo słoneczne. W ogniwie paliwowym wodór łączy się z tlenem, wytwarzając energię
elektryczną i ciepło. Woda jest ponownie kierowana do napędzanego energią słoneczną
elektrolizatora i cykl zostaje zamknięty.

Rys.10. Przemiana energii w
ogniwie regeneratywnym