PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

Dr inż. Aleksandra Borsukiewicz-Gozdur

Ogniwa paliwowe 1

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

2

W roku 1

8

74 Juliu

sz

Vern

e

n

a

pi

s

ał

w sw

ojej k

s

i

ążce "

T

aje

mn

icza wys

p

a

":

"

W

ie

r

zę, że

p

ew

n

ego

dnia

wo

da

zos

tani

e

wy

k

orzys

t

a

n

a

j

a

k

o pa

l

iwo

,

a

wodór i tlen

-

z

kt

ó

r

yc

h

s

i

ę s

kłada

-

u

ży

t

e r

a

ze

m lub

oso

bn

o, s

taną

s

i

ę

ni

ewycze

r

pa

l

ny

m

ź

r

ód

ł

e

m

ciep

ł

a i św

iatła

o wy

dajn

ości,

jaki

ej węg

i

e

l n

ie

jest w s

t

a

n

ie za

p

ew

n

ić. W

i

erzę, że gdy zasob

y

w

ę

g

l

a s

i

ę wycze

rpi

ą

,

powi

nni

ś

m

y opa

l

ać i ogrzewać wo

d

ą. W przy

s

z

ł

ości

,

woda zastąpi w

ę

g

i

el

.

"

Było to 35 lat po wynalezieniu ogniwa paliwowego przez S. W. Grove'a. Nie
wiadomo, czy Verne znał wyniki doświadczeń Grove'a, jego opis nie jest też
ścisły pod względem naukowym.

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

3

Zwięzła historia ogniw paliwowych

● 1839 Christian F. Schönbein donosi o powstawaniu prądu w reakcji wodoru
z tlenem.
● ok. 1939 Sir William R. Grove konstruuje pierwsze ogniwo paliwowe
gazowe, wodorowo-tlenowe.
● 1889 powstaje konstrukcja ogniwa wodorowego opracowana przez Monda i
Langera
● 1905 Wilhelm Ostwald i Walther H. Nerst zaprezentowali teorię ogniwa
paliwowego.
● ogniwa paliwowe przez ponad wiek były zaledwie ciekawostką
laboratoryjną
● lata 60-te XXw. amerykański program kosmiczny,
– Gemini 5 pierwszy statek kosmiczny z ogniwem
– Apollo, lądowanie na Księżycu – również z ogniwem
● 1973 r. - drugi kryzys paliwowy - od tego czasu systematyczny wzrost
zainteresowania i badań nad ogniwami.

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

4

Wilhelm Ostwald, laureat Nagrody Nobla, nie tylko
dobrze wiedział co to są ogniwa paliwowe, ale również
był ich oddanym zwolennikiem.

Dwadzieścia lat po publikacji Verne'a ostrzegał na
łamach Journal of Electrochemistry przed rozwojem
energetyki w oparciu o silniki spalinowe, pracujące z
niską sprawnością i powodujące skażenie środowiska.
Przeciwstawiał im ogniwa paliwowe, które działają
efektywnie, cicho, bez szkodliwego oddziaływania na
środowisko i które cechuje prostota konstrukcyjna.

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

5

Ogniwa paliwowe umożliwiają bezpośrednią
konwersję energii chemicznej paliwa na
energie elektryczną. Proces przebiega
podobnie do spalania ale zachodzi
izotermicznie i bez płomienia.

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

6

Ogniwo Grove'a

Po pewnym czasie elektrolit we wnętrzu
probówek nasycał się tlenem lub wodorem
znajdującymi się nad cieczą, a cząsteczki
gazów, dzięki swobodzie ruchu wewnątrz
elektrolitu, mogły dotrzeć do elektrod. Na
elektrodach pojawiało się napięcie będące
efektem zachodzących na platynie procesów z
udziałem rozpuszczonych gazów.

paski platyny połączone ze sobą przewodami

odwrócone do góry dnem szklane probówki napełnione
na przemian tlenem i wodorem

probówki zanurzone w naczyniu z
roztworem wodnym kwasu
siarkowego tak, że ciecz
(elektrolit) zajmowała część
wewnętrznej objętości probówek,
jednocześnie zapobiegało to
mieszaniu się tlenu i wodoru z
atmosferą zewnętrzną

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

7

W przypadku doświadczenia Grove'a dodatnio
naładowane atomy wodoru H+ powstają:
-wytworzone na drodze dysocjacji kwasu siarkowego


- na ujemnej elektrodzie ogniwa - anodzie, w procesie
elektroutleniania rozpuszczonego wodoru

Ogniwo Grove'a

anoda

katoda









2
4

4

2

SO

H

2

SO

H









e

2

H

2

H

2

Aby stężenie jonów wodorowych w elektrolicie nie rosło w miarę działania ogniwa,
muszą być one zużywane w takiej samej ilości w innym miejscu pracującego
ogniwa. Proces ten zachodzi na elektrodzie dodatniej ogniwa (katodzie):

O

H

e

2

O

2

1

H

2

2

2











Po zsumowaniu stronami (tylko wodór z paliwa może być bilansowany):

)

(

)

(





















e

2

H

2

O

H

e

2

H

2

H

O

2

1

2

2

2

otrzymuje się równanie reakcji sumarycznej zachodzącej w ogniwie.

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

8

W ogniwach galwanicznych wytwarzanie prądu opiera się
na szeregu reakcji chemicznych, które doprowadzają do
zmiany składu elektrolitów lub elektrod. Aby odwrócić
ten proces konieczne jest długotrwałe ładowanie.

Rodzina ogniw galwanicznych

Ogniwa galwaniczne

Pierwotne

(jednorazowe)

Akumulatory

Ogniwa paliwowe

Nie rozładowują się,

przestają pracować gdy nie

będzie dostarczane paliwo i

utleniacz

po rozładowaniu

recykling

ładowanie

Proces produkcji energii
elektrycznej nie zmienia
chemicznej natury elektrod oraz
wykorzystywanych elektrolitów.

9

Silnik spalinowy a ogniowo paliwowe

PALIWO

UTLENIACZ

PRACA

MECHANICZNA

CIEPŁO

SPALINY

PRODUKTY

REAKCJI

PALIWO

UTLENIACZ

PRĄD

ELEKTRYCZNY

CIEPŁO

spalanie zachodzi na drodze

bezpośredniej reakcji w całej

objętości reaktora,

a energia przemiany jest w całości

zamieniana na ciepło i

ewentualnie pracę objętościową

(jak w maszynach cieplnych)

silniki spalania wewnętrznego

ogniwo paliwowe

w ogniwie wodorowo-tlenowym procesy
utleniania wodoru i redukcji tlenu zachodzą w
odległych miejscach urządzenia (na
elektrodach), a energia paliwa w dużej
części zamieniana jest bezpośrednio na
energię elektryczną (dopiero pozostała
część zamieniana jest na ciepło).

10

Budowa ogniwa paliwowego

Ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod oddzielonych od siebie
elektrolitem.

anoda

katoda

Elektrolit-

paliwo

utleniacz

produkty reakcji

-

e

Do anody doprowadza się paliwo
(najczęściej wodór) i tam następuje jego
utlenienie.
Do katody doprowadza się utleniacz
(powietrze, tlen).

11

Elektrolity

-wodne roztwory substancji o
wiązaniu jonowym, które
dysocjują w tym środowisku
(jony znajdują się w otoczeniu
cząsteczek wody);
-stopione sole, które w tym
stanie składają się często
wyłącznie z jonów – tzw. ciecze
jonowe.

elektrolity polimerowe lub
ceramiczne, w których ruchliwość
jonów jest zbliżona do
ruchliwości w elektrolitach
płynnych (dla elektrolitów
ceramicznych dopiero w znacznie
podwyższonej temperaturze).

CIEKŁE

STAŁE

Elektrolit spełnia w ogniwie kilka zadań:
- oddziela od siebie paliwo i utleniacz, zapobiegając bezpośredniej reakcji chemicznej
między nimi,
- współuczestniczy w reakcji elektrodowej (na anodzie wraz z rozpuszczonym
w nim paliwem, na katodzie z utleniaczem),
- przenosi jon wytworzony w trakcie reakcji na jednej z elektrod do drugiej elektrody,
gdzie jon ten bierze również udział w reakcji elektrochemicznej.

12

Elektrody

Elektrody (przylegające do elektrolitu) wykonane są z materiału porowatego z takim
udziałem elektrokatalizatora, który zapewnia wystarczające przyspieszenie procesów
elektrodowych.

Porowatość otwarta elektrod pozwala na:
- swobodny dostęp gazowego paliwa i utleniacza do elektrolitu,
- wyprowadzenie produktu reakcji na zewnątrz ogniwa paliwowego,
- znacznie zwiększa powierzchnię czynną elektrody, na której zachodzi proces elektrodowy
(zwiększa się całkowity prąd wytwarzany na jednostkowej powierzchni geometrycznej
elektrody).

Dla ogniw paliwowych pracujących w niskiej temperaturze stale najlepszym
elektrokatalizatorem są metale z grupy platynowców - opracowano więc metody ich
rozdyspergowania w tanim materiale elektrodowym (najczęściej pochodzenia
węglowego), pozwalające na znaczne obniżenie ich zużycia (obecnie poniżej 1 mg Pt na
1 cm

2

powierzchni geometrycznej elektrody).

13

Reakcje elektrodowe

W miejscu styku trzech faz reakcje elektrodowe
będą przebiegać z największą intensywnością i
tam będzie wytwarzany największy prąd
lokalny.

Sumaryczny prąd wytwarzany przez całą elektrodę
będzie więc zależał w znacznej mierze od tego, jak
skonstruowana jest elektroda porowata. Zwiększenie
efektywności działania elektrody uzyskuje się poprzez:
- określoną wielkością i ilością porów w elektrodach i
matrycy elektrolitu,
-częściowe pokrycie elektrod materiałami
niezwilżalnymi przez elektrolit, a przepuszczalnymi dla
gazów,
- impregnacją materiału elektrod elektrolitem,
- wytwarzaniem elektrod z materiałów o mieszanym
przewodnictwie elektronowo-jonowym.

miejsca styku
trzech faz
gazowego paliwa
lub utleniacza,
elektrolitu i
materiału
elektrody

Reakcje elektrodowe zachodzą wyłącznie na granicy faz między elektrodą a
elektrolitem, z udziałem substancji elektroaktywnych rozpuszczonych w elektrolicie.

Rozpuszczanie się paliwa lub utleniacza ma miejsce na granicy faz między gazem a
elektrolitem.

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

14

Rodzaje ogniw paliwowych

Podział ogniw paliwowych może

być dokonywany ze względu na:

materiał elektrod

rodzaj elektrolit i

katalizatora

zakres mocy

konstrukcję

temperaturę pracy

sposób wykorzystania
paliwa

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

15

Podział ogniw paliwowych

Ze względu na moc wyróżnia się trzy podstawowe grupy ogniw:



ogniwa paliwowe o mocy poniżej 1 kW, przeznaczone do

zasilania urządzeń przenośnych;


ogniwa w zakresie mocy od kilku do kilkuset kilowatów do

zasilania pojazdów samochodowych oraz do zasilania szpitali,
sanatoriów i innych obiektów oddalonych od linii
energetycznych;


ogniwa o mocy nawet kilkaset megawatów, pracujące jako

generatory w elektrowniach zawodowych.

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

16

Podział ogniw paliwowych

Ze względu na sposób wykorzystania paliwa:

 ogniwa z bezpośrednim wykorzystania paliwa, np. przy
bezpośrednim doprowadzeniu wodoru;
 ogniwa pośredniego wykorzystania paliwa, gdy paliwo jest
uzyskane np. w procesie reformingu.

Np. ogniwa węglanowe mogą pracować z bezpośrednim zasilaniem
lub pośrednim .

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

17

Podział ogniw paliwowych

Ze względu na zakres temperatury pracy :

 niskotemperaturowe (25+ 100°C),
 średniotemperaturowe (100+500°C),
 wysokotemperaturowe (500+1000°C i powyżej).

PERSPEKTYWICZNE ŹRÓDŁA ENERGII

18

Podział ogniw paliwowych

Ze względu na rodzaj zastosowanego elektrolitu

 alkaliczne,
 polimerowe,
 kwasowe,
 węglanowe,
 tlenkowo- ceramiczne,
 cynkowo-powietrzne.