"Ogniwa paliwowe
metanolowe
(DMFC; MCFC; SOFC)"
Spis treści:
• Historia
• Typy ogniw paliwowych
• Zasada działania
• Ogniwa paliwowe DMFC
• Ogniwa paliwowe MCFC
• Ogniwa paliwowe SOFC
• Zastosowania
• Wady zalety
• Bibliografia
Korzeni tej technologii należy się doszukiwać
jeszcze w XIX wieku, ale dopiero dziś
zaczyna ona przynosić owoce. Sir William
Grove, brytyjski sędzia i uczony
skonstruował już w 1839 roku pierwsze
ogniwo paliwowe. W pierwszym ogniwie
paliwowym, jego wynalazca wykorzystywał
reakcję łączenia wodoru z tlenem do
bezpośredniego wytwarzania prądu
elektrycznego. Ogniwo takie nie ma części
ruchomych, działa bezszumowo, a jego
jedyną substancją odpadową jest woda.
Wiele lat potem naukowcy z NASA
wykorzystali tę genialnie prostą ideę i
rozwinęli technologię do poziomu
umożliwiającego wykorzystanie jej w
pojazdach kosmicznych Apollo, Gemini,
Skylab i innych, aby produkować energię
elektryczną i wodę pitną.
Historia Ogniw Paliwowych
Jeszcze pod koniec lat 80-tych ogniwa paliwowe
lekceważono - z powodu ich wysokiej ceny. Koszt
takich urządzeń był, niestety, astronomiczny i
sięgał 100.000 dolarów za kilowat. Teraz sytuacja
zmienia się w szybkim tempie, zwłaszcza dzięki
istotnym zaletom ekologicznym. 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%.
Typy ogniw paliwowych
• AFC – Alkaliczne ogniwo paliwowe
• PAFC – ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym
• SOFC – ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem
• MCFC – ogniwa paliwowe ze stopionym węglem
• PEMFC – ogniwa paliwowe z wymienną
membraną
• DMFC – metanolowe ogniwa paliwowe z
bezpośrednim zasilaniem
• RFC – regenetarywne ogniwa paliwowe
Typ ogniwa
Elektrolit
Paliwo
Temperatur
a pracy
[°C]
Spraw
ność
[%]
Zastosowania
PEM (Proton
Exchange
Membrane)
polimer w
stanie
stałym
wodór
75
35-60
- urządzenia UPS
- baterie przenośne
- elektrownie małej mocy -
generatory energii i ciepła
- przemysł motoryzacyjny
AFC (Alkaline
Fuel Cell)
roztwór
KOH
wodór
poniżej 80
50-70
- militarne
- kosmonautyka
DMFC (Direct
Metanol Fuel
Cell)
polimer w
stanie
stałym
- metanol
- roztwór metanolu i
wody
75
35-40
- urządzenia przenośne
- baterie
PAFC (Phosphoric
Acid Fuel Cell)
kwas
fosforowy
wodór
210
35-50
- generatory stacjonarne
MCFC (Molten
Carbonate Fuel
Cell)
stopiony
węglan
Li/K
- wodór, metanol,
metan, biogaz, gaz LPG
i inne
- gazy hydrokarbonowe
- reforming wewnętrzny
650
40-50
- duże elektrownie i
generatory
- urządzenia CHP
(Combined Heat & Power)
SOFC (Solid
Oxide Fuel Cell)
ceramika
tlenkowa
- wodór, metanol,
metan, biogaz, gaz LPG
i inne
- gazy hydrokarbonowe
- reforming wewnętrzny
650-1000
45-
60/85
- duże elektrownie i
generatory
- urządzenia CHP
(Combined Heat & Power)
Rodzaje ogniw paliwowych
Zasada działania
• Rekcja anodowa:
• Rekcja katodowa:
e
H
H
4
4
2
2
O
H
e
H
O
2
2
2
4
4
Ogniwo paliwowe zasilane
bezpośrednio metanolem-Direct-
Methanol Fuel Cell
(DMFC)
• Elektrolitem w ogniwie DMFC jest spolimeryzowany fluorkowany
kwas sulfonowy w postaci membrany pokrytej porowatą platyną
(katalizator). Anoda natomiast, jako katalizatory, ma oprócz
platyny (Pt) również ruten (Ru), których zadaniem jest
chemisorpcja metanolu i wody oraz elektrochemiczne pozbawienie
ich elektronów. Platyna rozkłada metanol, a ruten cząsteczkę
wody.
• Elektrochemiczne reakcje zachodzące w ogniwie DMFC są
następujące:
– Anoda: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e
– Katoda: ½ O2 + 6H+ + 6e → 3H2O
– W sumie: CH3OH + ½ O2 → CO2 + 2H2O
• Ogniwo zasilane bezpośrednio metanolem pracuje w temperaturze
• t = 90-120 °C.
• Teoretycznie z 1 dm3 metanolu można uzyskać 5 kWh energii
elektrycznej, ponieważ jednak ogniwa te mają na razie sprawność
ok. 20-34%, więc uzyskuje się 1,7 kWh/dm3
Ogniwo metanolowe
● Reforming metanolu do wodoru + ogniwo
wodorowe
● Ogniwo zasilane metanolem w postaci
gazowej
● Ogniwo zasilane metanolem w postaci ciekłej
(L)DMFC
Uwaga: w rzeczywistości paliwem jest roztwór
metanolu w wodzie
Budowa ogniwa
Elektrolit
● Elektrody
– warstwa katalityczna
– warstwa dyfuzyjna
● Płytki doprowadzające paliwo i powietrze
(lub
tlen)
● Zbiornik paliwa
● Pompa paliwa i wentylator (opcja)
DMFC zastosowania
Zastosowania przenośne;
laptopy, kamery cyfrowe,
ładowarki do komórek
itp.
DMFC do laptopa,
Smart Fuel Cells
Ładowarka baterii do
laptopa,
Smart Fuel Cell.
DMFC zastosowania
Zaletą jest krótki czas
“ładowania” ogniwa;
akumulatorki ładuje się kilka
godzin.
Cele:
1) maksymalizacja gęstości
mocy z objętości systemu
ogniw
2) obniżenie ceny
Ładowarka baterii do komórek na bazie
ogniwa metanolowego, Mechanical
Technologies
Futurystyczny e-book LG ma być wzorem ekologicznego
komputera. Może być zasilany zarówno metanolem, jak
i... gazem ziemnym, a obraz wyświetlany jest na ekranie
OLED.
• Pojawienie się polimerowych ogniw paliwowych pozwoliło znacznie
zminiaturyzować ich rozmiary. Potencjalnie nadawały się one już do
zasilania urządzeń przenośnych, ale wciąż problemem było
dostarczanie wystarczającej energii potrzebnej do zasilania
notebooków i telefonów komórkowych. Laptop musi bowiem pracować
minimum przez 2–3 godziny i potrzebuje przy tym około 20–30 W
mocy, a chwilowo, w zależności od obciążenia, zużywa nawet do 70 W.
Z kolei telefon komórkowy potrzebuje do 5 W mocy i w stanie
czuwania musi pracować minimum przez kilka dni (oczywiście w tym
czasie powinien umożliwić przeprowadzenie co najmniej kilku godzin
rozmów). Oprócz tego ogniwa paliwowe do urządzeń przenośnych
muszą być lekkie i umożliwiać łatwe uzupełnianie paliwa.
• Na początku tego wieku pojawiły się nowoczesne polimerowe ogniwa
paliwowe zasilane roztworem metanolu (alkoholu metylowego). Noszą
one nazwę ogniw DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) i cechują się
znacznie mniejszymi rozmiarami oraz wyższą wydajnością niż ogniwa
polimerowe poprzednich generacji. Reakcja utleniania w DMFC jest na
tyle powolna i można ją w dość precyzyjny sposób kontrolować, że
zasilany nimi telefon komórkowy bez problemu może działać przez co
najmniej tydzień.
• Ogniwa paliwowe nie są jeszcze tak małe i tanie, aby wprowadzić je
do seryjnej produkcji. Niemniej z roku na rok pokazywane prototypy są
mniejsze i coraz bardziej wydajne. Nad rozwojem technologii DMFC
pracują głównie takie firmy, jak: Toshiba, Panasonic, Hitachi, NEC,
Casio, Motorola, Samsung i LG.
Ogniwo paliwowe ze stopionymi
węglanami - Molten carbonate
fuel cell (MCFC)
Elektrolit w postaci stopionego węglanu to zazwyczaj
węglan litu i potasu (Li2CO3/K2CO3) lub litu i sodu
(Li2CO3/Na2CO3) w osnowie ceramicznej z ceramiki na
bazie aluminium (LiAlO3). Z powodu bardzo wysokich
temperatur pracy (600 - 700°C) kinetyka katody (szybkość
reakcji) jest drastycznie poprawiona w porównaniu do
PEMFC i PAFC, więc nie potrzeba szlachetnych metali jako
katalizatorów. Na katodzie jest zazwyczaj tlenek niklu, ale
bada się również materiały na bazie tlenku litu. W anodzie
wykorzystuje się zazwyczaj stopy niklowo aluminiowe lub
niklowo chromowe. Reakcje elektrodowe i sumaryczne są
ukazane poniżej.
Utlenienie wodoru na anodzie:
H2 + (CO3)2- → H2O + CO2 + 2e-
Redukcja tlenu na katodzie:
CO2 + ½O2 + 2e- → (CO3)2-
Sumaryczna reakcja w MCFC:
H2 + ½O2 → H2O
Są to wysoko temperaturowe ogniwa paliwowe pracujące w
temperaturze ok. 600 ˚C. Ich główną wadą jest korozja. Ogniwa ze
stopionymi węglanami przeszły swój pierwszy wielki test w latach
1996-1997 w Santa Clara w USA, gdzie firma Energy Research Corp.
(dzisiaj znana jako FuelCell Energy) zainstalowała duże urządzenie o
mocy elektrycznej 2 MW (ogniwo ERC Direct FuelCell). W trakcie pracy
moduł zachowywał się dobrze, jednak po jakimś czasie doszło do
awarii. Dalsze testy prowadzono na odbudowanej wersji o mniejszej
mocy 1 MW
Systemy MCFC. Po lewej 2MW jednostka na gaz węglowy. Po
prawej kilka 250 kW jednostek pracujących obecnie w Japonii i w
USA.
Ogniwo paliwowe z zestalonym
elektrolitem tlenkowym - Solid-
oxide fuel cells (SOFC)
Elektrolitem w SOFC jest zestalony, nieporowaty tlenek metalu,
zazwyczaj Y2O3 stabilizowany 8-10 % molowymi ZrO2. Przewodnictwo
jonowe w elektrolicie jest zapewnione przez jony tlenu (O2-).
Wykorzystanie substancji stałej jako elektrolitu czyni system
stabilniejszym i bezpieczniejszym niż w przypadku MCFC. Nie powstają
przecieki, a ogniwu można nadać różne kształty, jak rurowy, planarny,
monolityczny.
Zazwyczaj temperatura pracy wynosi około 1000 °C, ale jest
pożądane skonstruowanie ogniwa pracującego w niższej temperaturze,
około 650 °C. To oczywiście obniża przewodność obecnie stosowanych
materiałów elektrolitycznych. Tak jak w MCFC nie potrzeba drogich
metali na elektrody, bo kinetyka jest wystarczająco szybka w tych
temperaturach. Zazwyczaj anoda jest na bazie ceramik niklowych lub
kobaltowych (Co-ZrO2 lub Ni-ZrO2), a katoda to LaSrMnO3
stabilizowane Y2O3.. Reakcje elektrodowe ukazane są poniżej.
Utlenienie wodoru na anodzie:
H2 + O2 → H2O + 2e-
Redukcja tlenu na katodzie:
½O2 + 2e → O2-
Sumaryczna reakcja w SOFC:
H2 + ½O2 → H2O
Największe ogniwo SOFC na świecie (moc 250 KW)
wyprodukowane przez Siemens Westinghouse we współpracy
z Kinetrics, Ontario Power Generation i inne organizacje.
Z powodu pracy w wysokiej temperaturze nie potrzebują drogich katalizatorów
jak to ma miejsce w ogniwach z membraną do wymiany protonów. Oznacza to
ze nie są wrażliwe na zanieczyszczenia tlenkiem węgla co czyni je dosyć
elastycznymi jeśli chodzi o rodzaj paliwa
• Krótki czas reakcji oraz krótki czas rozruchu
to jedne z najważniejszych wymogów wobec
samochodów. Wysokotemperaturowe ogniwa
paliwowe jak MCFC i SOFC nie nadają się
dobrze do tego, bo są bardziej
skomplikowane i mają dłuższe czasy rozruchu
niż DMFC. Poważnym problemem jest
działanie w temperaturach ujemnych.
Ponieważ membrana zawiera duże ilości
wody, należy zabezpieczyć ją przed
zamarznięciem
MCFC oraz SOFC są to ogniwa
wysokotemperaturowe i pracują z wysokimi
wydajnościami, szczególnie wtedy kiedy ciepło
przez nie wytworzone i/lub gdy ogniwo jest
zintegrowane z turbina gazowa ( rozwiązanie to
spotyka się z coraz większym zainteresowaniem ).
Obydwie technologie zaprojektowane są na moce
granicach od 250 kW do wielu MW. Na chwile
obecna SOFC jest jeszcze wiele lat do tyłu jeśli
chodzi o zaawansowanie technologiczne, ale do
końca obecnej dekady powinno być mocnym
konkurentem na rynku, sądząc po liczbie organizacji
zaangażowanych w rozwój tej technologii
Zastosowania
• Systemy
stacjonarne –
generatory energii
elektrycznej i
ciepła CHP,
elektrownie małej
mocy
Zastosowania
• Środki transportu,
komunikacja
Zastosowania
• Urządzenia
przenośne, baterie
małej mocy
• Robotyka
Zalety ogniw paliwowych
• Sprawność bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliwa
w energię elektryczną nie podlega ograniczeniu wynikającemu
z teorii silników cieplnych
• Wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej
• Niski poziom hałasu
• Możliwość stosowania różnych rodzajów paliw
• Technologia bezpieczna dla środowiska naturalnego ponieważ
podstawowym produktem ubocznym jest woda, a emisja CO
2
zachodzi tylko w przypadku wykorzystywania paliw
węglowodorowych (CO
2
jest produktem ubocznym reformingu)
• Nie istnieje problem emisji tlenków siarki i azotu (występują w
śladowych ilościach)
• Brak ruchomych części pracujących w trudnych warunkach
• Możliwość pracy przy szerokim zakresie obciążeń
• Możliwość ciągłej pracy (o ile jest dostęp do paliwa i
utleniacza)
Wady ogniw paliwowych
• Niskie napięcie prądu uzyskiwane z
pojedynczego ogniwa (<1V)
• Drogie materiały na katalizatory
• Stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z
modułu
• Produkcja jedynie prądu stałego (czasami jest to
zaletą)
• Podatność na wpływ zanieczyszczeń zawartych
w paliwie (zanieczyszczenia zmniejszają
żywotność ogniw zatykając porowate elektrody
przez co zmniejszają ich wydajność prądową)
• Trudności z produkcją, magazynowaniem i
dystrybucją paliwa (wodoru)
Bibliografia
•
http://pl.wikipedia.org/wiki/Ogniwo_paliwowe_zasilane_bezpo%C5%9Brednio_metanolem
•
http://www.ogniwa-paliwowe.com/
•
http://gadzetomania.pl/2008/05/21/sharp-potwierdzil-prace-nad-metanolowa-bateria-dmfc/
•
http://www.imiue.polsl.pl/dane/mylinks/ogniwa/index.html
•
http://www.mif.pg.gda.pl/knf/index.php?strona=dzialalnosc&podstrona=SOFC
•
http://www.fuw.edu.pl/~gaj/PodstawyFizyki2/ogniwopaliwowe_gslowinski_seminarium1.pdf
•
http://www.elportal.pl/pdf/k03/77_66.pdf