M

imo gwa∏townego rozwoju przenoÊnych
urzàdzeƒ elektronicznych baterie* zmieni-
∏y si´ tylko nieznacznie. Nadal jednak sà

bezkonkurencyjne w urzàdzeniach wymagajàcych nie
wi´cej ni˝ 20 W mocy, poczynajàc od zabawek, a na
komputerach przenoÊnych koƒczàc. Baterie bywajà
ci´˝kie i drogie, czasem niespodziewanie si´ wyczer-
pujà, co wymaga ich wymiany (i powstaje problem
utylizacji zu˝ytych) lub ponownego ∏adowania (po-
wodujàcego strat´ czasu). Czy naprawd´ nie ma lep-
szego rozwiàzania?

Niewykluczone, ˝e oka˝e si´ nim inny wynalazek

rodem z poprzedniego stulecia – ogniwa paliwowe.
Na pozór jest to technologia w równym stopniu przy-
jazna dla u˝ytkownika jak baterie; zachodzi w niej ci-
cha i czysta przemiana energii chemicznej w elektrycz-
nà. Ale prawdziwa zaleta ogniw paliwowych to ich
zadziwiajàca zdolnoÊç pozyskiwania elektrycznoÊci
z atomów wodoru. Zasilane metanolem (alkoholem
metylowym) ogniwa paliwowe o rozmiarach zbli˝o-
nych do tradycyjnych akumulatorów niklowo-kad-
mowych, ale l˝ejsze i taƒsze, mogà pracowaç nawet
20 razy d∏u˝ej. Inna korzyÊç to brak d∏ugotrwa∏ego
procesu ∏adowania: ogniwa mo˝emy szybko i ∏atwo
zregenerowaç, uzupe∏niajàc paliwo.

W przesz∏oÊci badania koncentrowa∏y si´ na zasto-

sowaniu ogniw paliwowych w pojazdach [patrz: A. John
Appleby, „Elektrochemiczne silniki samochodowe”,
strona 38], ale doskonalone przez dziesiàtki lat silniki
spalinowe okaza∏y si´ trudne do pokonania. Byç mo˝e
ich szansà b´dzie mniej energo˝erna aparatura, gdzie
g∏ównym rywalem sà baterie. Wiadomo, ˝e niedawne
próby miniaturyzacji ogniw paliwowych doprowadzi-
∏y do znacznego post´pu, pozwalajàc wyd∏u˝yç do mie-
si´cy czas czuwania telefonów komórkowych, a do bli-
sko 100 godz. prac´ komputerów przenoÊnych z jednym
niewielkim êród∏em zasilania. Wraz ze zmniejszaniem
si´ rozmiarów ogniw paliwowych ze szczególnà wy-
razistoÊcià ujawniajà si´ ró˝ne problemy techniczne. Mi-

niaturyzacja wymaga trudnego kompromisu mi´dzy
wieloma czynnikami – zw∏aszcza mocà, rozmiarami,
wygodà u˝ytkowania i kosztami.

Osiàgni´cia elektrochemii

Obecnie ogniwa paliwowe i baterie wykazujà wi´cej

podobieƒstw ni˝ ró˝nic. W obydwu technologiach reak-
cje elektrochemiczne s∏u˝à do przemiany energii che-
micznej w elektrycznoÊç. W typowym ogniwie paliwo-
wym ca∏y proces zaczyna si´ z udzia∏em katalizatora,
który pomaga uwolniç elektrony z czàsteczek paliwa.
Nast´pnie elektrony p∏ynà przez obwód zewn´trzny
od jednej elektrody do drugiej, podczas gdy powsta∏e
jony podró˝ujà przez elektrolit wype∏niajàcy przestrzeƒ
mi´dzy elektrodami. Dwa równoleg∏e pràdy – elektro-
nowy (ujemny) i jonowy (dodatni) – si´ znoszà, dzi´ki
czemu ∏adunek wypadkowy nie ulega zmianie. Bezpo-
Êrednia ekstrakcja elektronów w celu uzyskania ener-
gii elektrycznej z chemicznej jest procesem cichym, pro-
stym, stosunkowo czystym i nie powoduje wydzie-
lania wi´kszych iloÊci ciep∏a. Jego sprawnoÊç mo˝e byç
do trzech razy wi´ksza ni˝ porównywalnych uk∏adów
nap´dzanych przez niewielkie silniki spalinowe.

Moc uzyskiwana z ogniw paliwowych lub baterii

jest bezpoÊrednio zwiàzana z napi´ciem pomi´dzy
elektrodami, które z kolei zale˝y od w∏aÊciwoÊci u˝y-
tych materia∏ów. W standardowym ogniwie paliwo-
wym atomy wodoru (paliwo) oddajà elektrony jednej
elektrodzie (anodzie), a nast´pnie ∏àczà si´ z elektro-
nami i tlenem (utleniaczem) na drugiej elektrodzie
(katodzie). Jedynym produktem chemicznym zacho-
dzàcych reakcji jest woda, a elektrody nie ulegajà prze-
mianom. W bateriach elektrody biorà udzia∏ w reak-
cjach elektrochemicznych (np. w akumulatorach
niklowo-kadmowych elektrodami sà tlenowodorotle-
nek niklu i kadm).

W przypadku ma∏ych akumulatorów litowych, za-

projektowanych z myÊlà o przenoÊnych urzàdzeniach

30 Â

WIAT

N

AUKI

Wrzesieƒ 1999

Nowe baterie

do urzàdzeƒ przenoÊnych

Akumulatory sà k∏opotliwe i drogie. Miniaturowe ogniwa

paliwowe zastàpià je w telefonach komórkowych, komputerach

przenoÊnych, wideokamerach i innych urzàdzeniach

Christopher K. Dyer

MIKROOGNIWA PALIWOWE przeznaczone do telefonów komórkowych mogà zmieÊciç si´ w tej samej obj´toÊci, któ-
rà obecnie zajmujà akumulatory

(z prawej). Niewielkie êród∏o zasilania zawiera szereg ogniw utworzonych na dwóch

cienkich p∏ytkach. Ka˝de ogniwo sk∏ada si´ z kilku warstw

(u góry z prawej) wytwarzanych podobnie jak p∏ytki

drukowane i uk∏ady scalone. Firma Manhattan Scientifics zamierza zbudowaç prototyp do koƒca bie˝àcego roku.

Â

WIAT

N

AUKI

Wrzesieƒ 1999 31

elektronicznych, napi´cia nie przekraczajà obecnie
3–4 V. Paliwa wodorowe nie pozwalajà uzyskaç na-
pi´ç powy˝ej 1 V, ale mniejsza masa i obj´toÊç ogniw
umo˝liwiajà wi´ksze upakowanie i wi´cej energii elek-
trycznej, podczas gdy rozmiary pozostajà zbli˝one.

Za i przeciw

Kiedy porównujemy ogniwa paliwowe z bateria-

mi, podstawowym kryterium nie jest wcale spraw-
noÊç, gdy˝ obydwie technologie sà wysoce skuteczne
w zamianie energii chemicznej na elektrycznà. Natu-
ralnà zaletà ogniw paliwowych jest wykorzystanie bo-
gatych w energi´ paliw zawierajàcych wodór. Czysty
ciek∏y wodór o tej samej masie zawiera 800 razy wi´-
cej energii elektrochemicznej ni˝ uk∏ad nikiel–kadm.
Problem tkwi w tym, ˝e ciek∏y wodór trzeba przecho-

Ilustracje GEORGE RETSECK

ELEKTRONY

METANOL
I WODA

ELEKTROLIT

PRZEPUSZCZAJÑCY

PROTONY

WARSTWA

BARIERY

ELEKTROLIT

DWUTLENEK

W¢GLA

WODÓR

PLASTIKOWA

MEMBRANA

TLEN

ANODA

KATODA

WODA

+

KOLEKTOR POWIETRZA

KOLEKTOR POWIETRZA

OGNIWA PALIWOWE

OGNIWA PALIWOWE

KOLEKTOR PALIWA

wywaç w temperaturze –250°C, co sprawia, ˝e nie na-
daje si´ on do zastosowania w urzàdzeniach po-
wszechnego u˝ytku.

Równie godne uwagi sà zwiàzki zawierajàce wodór.

Teoretycznie 1 l metanolu móg∏by dostarczyç 5 kWh
energii, co wystarczy∏oby do przesz∏o tygodniowego
dzia∏ania komputera przenoÊnego. Charakteryzujàce
si´ najwi´kszà wydajnoÊcià energetycznà akumulatory
litowo-jonowe o porównywalnej obj´toÊci zdolne sà
zmagazynowaç mniej ni˝ dziesiàtà cz´Êç tej energii.

Co wi´cej, w ogniwach paliwowych wystarczy zgro-

madziç jedynie paliwo (np. metanol), poniewa˝ tlen
niezb´dny w reakcjach elektrochemicznych na ogó∏
pobiera si´ z otaczajàcego powietrza. Natomiast ba-
terie muszà zawieraç oba reagenty – pokaêne iloÊci
substancji sta∏ych w obszarze katodowym i anodo-
wym – co zwi´ksza ich koszty, rozmiary i ci´˝ar.

Wygoda u˝ytkowania to kolejna kwestia do rozwa-

˝enia. Ogniwa mo˝emy szybko zregenerowaç, uzu-
pe∏niajàc paliwo na przyk∏ad z ampu∏ki z metanolem
lub wymieniajàc wk∏ad ze sta∏ym wodorkiem. Aku-
mulatory ∏adujà si´ powoli, a baterie trzeba wymie-
niaç. Pod tym wzgl´dem ogniwa paliwowe majà ta-
kie same zalety jak silnik spalinowy w samochodzie,
który dzi´ki szybkiemu uzupe∏nianiu paliwa jest prak-
tycznie stale gotowy do pracy.

Sà tak˝e powody finansowe. Ogniwa paliwowe by∏y

kiedyÊ niezmiernie drogie, co ogranicza∏o ich stosowa-
nie do sytuacji, w których rzeczywiÊcie potrzebowano
lekkich i wytwarzajàcych wod´ êróde∏ zasilania – w za-
∏ogowych statkach kosmicznych. Wyrafinowane roz-
wiàzania technologiczne spowodowa∏y ostatnio wyraê-
nà obni˝k´ kosztów. Na przyk∏ad naukowcy zdo∏ali
znacznie zmniejszyç iloÊç drogiej platyny stosowanej
w katalizatorach. W tym samym czasie ceny wysoko
wydajnych baterii ros∏y ze wzgl´du na zastosowanie
w nich zaawansowanych technologicznie materia∏ów.
Mo˝liwe wi´c, ˝e pewnego dnia ogniwa paliwowe za-
stàpià baterie w wielu urzàdzeniach powszechnego
u˝ytku.

Nast´pujàce liczby pozwolà zrozumieç przyczyn´.

W urzàdzeniach elektronicznych wymagajàcych mocy
mniejszej ni˝ 100 W koszty zasilania bateryjnego sà sto-
sunkowo wysokie (˝eby nie powiedzieç nieracjo-
nalne) w dowolnej skali czasu. Akumulator niklo-
wo-kadmowy o mocy 20 W i masie 0.5 kg b´dzie funk-
cjonowa∏ przez pó∏ godziny (jego cena wynosi oko∏o
20 dolarów). Aby wyd∏u˝yç czas dzia∏ania, trzeba si´-
gnàç po bateri´ litowo-jonowà, która dostarczy t´ samà
moc przez jakieÊ 3 godz., ale za cen´ co najmniej cztero-
krotnie wy˝szà. Ogniwo paliwowe o podobnych para-
metrach mog∏oby pracowaç przez blisko 30 godz., a war-
toÊç zu˝ytego paliwa waha∏aby si´ od 2 do 5 dolarów.

OczywiÊcie w rachunku ekonomicznym trzeba

uwzgl´dniç koszt wyprodukowania ogniwa paliwo-
wego, i na tym w∏aÊnie polega trudnoÊç. Zaprojekto-
wanie miniaturowych ogniw, które da∏oby si´ tanio
produkowaç na skal´ masowà, to powa˝ne przedsi´-
wzi´cie. Pod wzgl´dem in˝ynierskim jest du˝ym wy-
zwaniem, wymagajàcym wielu innowacji.

Liczne komplikacje

W zasadzie ogniwa paliwowe sà bardzo prostymi

urzàdzeniami – wszystko, czego potrzeba, to paliwo
wodorowe, êród∏o tlenu, dwie elektrody katalityczne

i elektrolit. Tu jednak pi´trzà si´ trudnoÊci. Poniewa˝
pojedyncze ogniwa paliwowe nie zapewniajà na ogó∏
wystarczajàcej mocy, trzeba je ∏àczyç w zespo∏y. Ale ta-
kie po∏àczenia komplikujà struktur´ wewn´trznà,
szczególnie w przypadku poduk∏adów sterujàcych
dop∏ywem paliwa i tlenu. Podobnie ogniwa szerego-
we – te z kolei nie mogà pracowaç w wysokiej tem-
peraturze, a zatem potrzebujà uk∏adu ch∏odzàcego, co
stanowi dodatkowà komplikacj´.

Wszystkie problemy stajà si´ powa˝niejsze, gdy

zmniejszamy rozmiary ogniw, aby zmieÊciç je w kame-
rze wideo lub telefonie komórkowym. Przy obecnych
rozwiàzaniach uk∏ady sterujàce mia∏yby wi´kszà mas´
i obj´toÊç ni˝ cz´Êç wytwarzajàca pràd. Jak widaç, mi-
niaturyzacja to przede wszystkim problem techniczny.

Wybór paliwa ma wa˝ne implikacje dla konstruk-

cji ca∏ego uk∏adu. Wodór to substancja dajàca si´ naj-
∏atwiej utleniaç, ale zastosowany w czystej postaci (ja-
ko gaz lub ciecz kriogeniczna) w przenoÊnych urzà-
dzeniach powszechnego u˝ytku by∏by bardzo niewy-
godny i wr´cz niebezpieczny.

Dobrym rozwiàzaniem jest przechowywanie wo-

doru w ró˝nych metalach. Najlepiej znany spoÊród
nich to pallad, ale w gr´ wchodzi te˝ wiele tanich sto-
pów, jak zawierajàce lantan z niklem lub ˝elazo z ty-
tanem. Jednym z wymagaƒ jest ∏atwoÊç uwalniania
wodoru w temperaturze i ciÊnieniu zbli˝onym do oto-
czenia, a wi´c bez stosowania dodatkowych uk∏adów.
Zaletà wodorków metali jest ∏atwoÊç uzupe∏niania pa-
liwa. W temperaturze 0°C wodorek metalu mo˝na na-
syciç gazowym wodorem w ciàgu 30 min. W przy-
sz∏oÊci potrzebny wodór da∏oby si´ wytwarzaç
w domowych elektrolizerach.

Chemiczne wodorki, na przyk∏ad zawierajàce lit,

glin, sód czy bor, mogà okazaç si´ por´cznym êró-
d∏em wodoru jako l˝ejsze od swoich metalicznych od-
powiedników. Niestety, sà równie˝ drogie i nie nada-
jà si´ do powtórnego wykorzystania, a produkty ich
rozpadu sà ˝ràce.

Znacznie taƒsze sà ciek∏e zwiàzki organiczne, jak

dekalina czy metylocykloheksan. Jednak˝e uwolnienie
z nich wodoru wymaga u˝ycia katalizatora i tempera-
tury powy˝ej 200°C.

Bardziej obiecujàcym zwiàzkiem organicznym jest

metanol. Po wieloletnich badaniach naukowcy doszli
do wniosku, ˝e on najlepiej nadaje si´ do zastosowa-
nia w niewielkich ogniwach paliwowych. Bogaty
w energi´ alkohol jest stosunkowo niedrogi (mo˝na
go wytwarzaç z gazu ziemnego lub biomasy po cenie
zbli˝onej do benzyny) i wygodny w u˝ytkowaniu. Te-
lefon komórkowy zasilalibyÊmy, kupujàc tanie am-
pu∏ki z metanolem w drogerii lub supermarkecie.

Istnieje jednak pewna przeszkoda. Aby uzyskaç wo-

dór z metanolu, trzeba go poddaç procesowi refor-
mingu, czyli skomplikowanej przemianie chemicznej.
W jej wyniku powstajà dwa produkty uboczne: dwu-
tlenek w´gla oraz niewielkie iloÊci tlenku w´gla. Na
szcz´Êcie nie sà wytwarzane tlenki azotu.

Nawet niewielka iloÊç tlenku w´gla stanowi pro-

blem, poniewa˝ wià˝e si´ on z platynà, blokujàc jej
katalityczne dzia∏anie. Potrzebny jest kolejny stopieƒ
– usuni´cie szkodliwego gazu. Co prawda, ostatnio
opracowano uk∏ady reformujàce z pierwszym stop-
niem do wytwarzania wodoru i drugim usuwajàcym
tlenek w´gla, jednak˝e jest oczywiste, ˝e komplikujà
one budow´ ogniw i podnoszà ich cen´.

32 Â

WIAT

N

AUKI

Wrzesieƒ 1999

34 Â

WIAT

N

AUKI

Wrzesieƒ 1999

Specjalne katalizatory sprawi∏yby, ˝e ogniwo b´dzie

wykorzystywaç metanol, pomijajàc reforming, ju˝
w temperaturze poni˝ej 100°C. Proces ten ogranicza
uzyskiwanà moc. Równie˝ ewentualny przeciek me-
tanolu do obszaru katodowego powoduje spadek mo-
cy i sprawnoÊci. Mo˝emy temu przeciwdzia∏aç, roz-
cieƒczajàc metanol, ale to k∏óci si´ z jego podstawowà
zaletà, którà jest du˝a wydajnoÊç energetyczna. Dla-
tego niektórzy specjaliÊci sà przekonani, ˝e ostateczna
akceptacja metanolu jako paliwa zale˝y od opracowa-
nia membran nieprzepuszczalnych dla tej cieczy.

Nigdy zbyt cienkie

Kilka firm, w tym Ballard Power Systems z Bur-

naby w Kolumbii Brytyjskiej oraz H Power z Bellevil-
le w New Jersey, rozszerzy∏o technologi´ konwencjo-
nalnych ogniw paliwowych na ma∏e uk∏ady o mocy
20–100 W. Mimo ˝e sà to wczesne prototypy do za-

stosowania w urzàdzeniach przenoÊnych, ich para-
metry ju˝ teraz sà zbli˝one do akumulatorów litowo-
jonowych.

Wykorzystanie w ogniwach paliwowych cieƒszych

komponentów oraz mniejszych i l˝ejszych uk∏adów
wspomagajàcych powinno przynieÊç zwyci´stwo nad
bateriami. Ju˝ teraz liczne grupy badawcze na ca∏ym
Êwiecie konstruujà uk∏ady, po których wiele sobie
obiecujà. Du˝o prac utrzymuje si´ w tajemnicy, ale
publikowane wst´pne wyniki wskazujà, ˝e rozwiàza-
nia sà zaskakujàco ró˝ne.

Fraunhoferowski Instytut Uk∏adów Energii S∏onecz-

nej we Fryburgu (Niemcy) wraz z Siemens PC Syste-
me zbudowa∏ prototypowe ogniwo paliwowe prze-
znaczone do komputerów przenoÊnych. Ca∏oÊç sk∏ada
si´ z pi´ciu cienkich p∏ytek zawierajàcych po pi´ç
ogniw paliwowych po∏àczonych szeregowo. Macierz
25 ogniw zaopatrywanych w paliwo dzi´ki metalicz-
nym wodorkom pozwala uzyskaç moc 20 W. Uk∏ad,

KONSTRUKCJA CIENKOWARSTWOWA
umo˝liwia budow´ miniaturowych ogniw
paliwowych, które wytwarzajà energi´ elek-
trycznà, pobierajàc wodór i tlen z mieszani-
ny obu tych gazów (w tradycyjnych rozwià-
zaniach obydwa reagenty muszà byç po-
dawane osobno). Uk∏ad sk∏ada si´ ze stosu
szeÊciu ogniw, z których ka˝de zawiera bar-
dzo cienkà (poni˝ej 1

mm) membran´ (po-

wy˝ej). Porowata warstwa stanowi elektro-
lit rozdzielajàcy katod´ i anod´

(z prawej).

Na anodzie wodór oddaje elektrony

(1)

i przenika przez membran´ w stron´ katody.
Tlen równie˝ dyfunduje przez elektrolit

(2),

podczas gdy uwolnione elektrony p∏ynà
przez obwód zewn´trzny

(3). Na katodzie

jony wodoru, elektrony i tlen ∏àczà si´ ze so-
bà

(4), tworzàc wod´.

GEORGE RETSECK

èRÓD¸O PALIWA
(STA¸Y WODOREK)

STOS OGNIW
PALIWOWYCH

WLOT POWIETRZA
I MIESZALNIK GAZU

UK¸ADY STERUJÑCE

WODA

PRÑD ELEKTRYCZNY

+

–

ELEKTRON

WODÓR

TLEN

POD¸O˚E

ELEKTROLIT W POSTACI

CIENKIEJ MEMBRANY

WODA

PLATYNOWA
ANODA

PLATYNOWA

KATODA

1

3

2

4

+

+

+

+

Â

WIAT

N

AUKI

Wrzesieƒ 1999 35

który ju˝ teraz ma nieco lepsze parametry ni˝ baterie
litowo-jonowe, jest nadal udoskonalany.

Zupe∏nie inne rozwiàzanie zastosowa∏ Robert Ho-

ckaday z Manhattan Scientifics w Nowym Jorku, pra-
cujàcy nad mikroogniwami paliwowymi nadajàcymi
si´ do produkcji masowej z wykorzystaniem techno-
logii stosowanych w przemyÊle elektronicznym. W je-
go projekcie cienka warstwa tworzywa sztucznego
(gruboÊci zaledwie 25

mm) jest bombardowana jonami,

a póêniej trawiona chemicznie, dzi´ki czemu powsta-
jà pory (ogniwa) wype∏niane polimerowym elektroli-
tem. Nast´pnie dzi´ki technologiom znanym z pro-
dukcji uk∏adów scalonych, w tym naparowywaniu
pró˝niowemu, na powierzchni´ takiej struktury na-
k∏ada si´ i wytrawia selektywnie przepuszczajàcà ba-
rier´ (uniemo˝liwiajàcà przeciek metanolu), dwie elek-
trody, katalizator i Êcie˝ki przewodzàce, które ∏àczà
poszczególne ogniwa.

Ogniwa paliwowe mo˝na zasilaç bezpoÊrednio rów-

nie˝ rozcieƒczonym metanolem. Dostarczana przez
nie moc jest przy takim paliwie wprawdzie niewiel-
ka, ale dadzà si´ ∏àczyç w zespo∏y o ma∏ej obj´toÊci,
które wspó∏pracujà z akumulatorami litowo-jonowy-
mi, poprawiajàc w ten sposób efektywnoÊç uk∏adu.
Rozruch odbywa si´ powoli i wymaga wykorzysta-
nia baterii, która póêniej pozwala zaspokoiç zwi´k-
szone zapotrzebowanie na energi´. Je˝eli koszty wie-
loetapowego procesu produkcji uda si´ utrzymaç na
niskim poziomie, takie nowatorskie rozwiàzanie mo-
˝e zaowocowaç niedrogimi urzàdzeniami.

Rzàd Stanów Zjednoczonych za poÊrednictwem kil-

ku programów realizowanych na uniwersytetach
i w laboratoriach rzàdowych równie˝ wspiera rozwià-
zania wykorzystujàce bezpoÊrednio metanol. Przyk∏a-
dem jest wynik wspó∏pracy Jet Propulsion Laborato-
ry w Pasadenie w Kalifornii i University of Southern
California – mikroogniwo z polimerowym elektroli-
tem oraz katalizatorem anodowym ze stopu platyny

z rutenem, taƒszym od czystej platyny. Prototypy
o mocy 10, 40, 150 W i wi´kszej dzia∏a∏y nieprzerwa-
nie przesz∏o osiem dni w temperaturze 90°C.

Niestety, wspomniane ogniwa wymagajà paliwa

w postaci najwy˝ej dwuprocentowego wodnego roz-
tworu metanolu. Pomys∏owym rozwiàzaniem jest kie-
rowanie wody wytwarzanej w obszarze katodowym
do niewielkiego zbiorniczka umieszczonego w pobli-
˝u anody i wykorzystanie jej tam do rozcieƒczania
czystego metanolu. Wzrasta wtedy sprawnoÊç uk∏a-
du i mo˝na zachowaç miniaturowe rozmiary. Obec-
nie uk∏ad charakteryzuje warta odnotowania wydaj-
noÊç energetyczna 30 W/l, a celem jest podwojenie jej
do koƒca bie˝àcego roku.

Moje zainteresowania skupiajà si´ na cienkowarstwo-

wych ogniwach paliwowych, wytwarzajàcych energi´
z gazowej mieszaniny wodoru i tlenu, ró˝niàcych si´
od uk∏adów klasycznych, w których oba gazy muszà
byç dostarczane osobno. Prostsze dzia∏anie powinno
gwarantowaç taƒszà i bardziej zwartà konstrukcj´.

W rozwiàzaniu przedstawionym po raz pierwszy

w 1990 roku wykorzystuje si´ bardzo cienkà (poni˝ej
1

mm) warstw´ elektrolitu przepuszczajàcego gaz. Ta-

ka membrana jest umieszczona pomi´dzy dwiema
cienkimi warstwami platyny (elektrodami), z których
jedna jest wyeksponowana na dzia∏anie gazu, a druga
umieszczona na pod∏o˝u. Ogniwo tego typu jest praw-
dopodobnie najcieƒsze i najl˝ejsze z dotychczas
zbudowanych.

Wodór szybciej utlenia si´ (czyli oddaje elektrony)

na elektrodzie zewn´trznej, poniewa˝ pozostaje ona
w bezpoÊrednim kontakcie z gazem. Elektroda ta (ano-
da) jest bardzo wydajnym êród∏em jonów wodoro-
wych, które gwa∏townie dyfundujà przez membran´
do elektrody umieszczonej bezpoÊrednio na pod∏o˝u
(katody). Tam w∏aÊnie jony wodoru oraz nap∏ywajà-
ce przez obwód zewn´trzny elektrony ∏àczà si´ z tle-
nem, który przedosta∏ si´ przez porowatà membran´.

ZGROMADZONA ENERGIA ELEKTROCHEMICZNA

w jednostce masy

w jednostce obj´toÊci

(Wh/kg)

(Wh/l)

OGNIWA PALIWOWE

Dekalina (C

10

H

18

)

2400

2100

Ciek∏y wodór

33000

2500

Borowodorek litu (LiBH

4

i 4H

2

O)

2800

2500

Sta∏y wodorek metalu (LaNi

5

H

6

)

370

3300

Metanol

6200

4900

Wodór w nanow∏óknach grafitowych

~16000

~32000

AKUMULATORY

O∏owiowo-kwasowy

30

80

Niklowo-kadmowy

40

130

Niklowo-wodorkowy

60

200

Litowo-jonowy

130

300

Uwaga: Przyj´to, ˝e dla paliwa wodorowego i w´glowodorowego zachodzi ca∏kowite utlenianie. Podane wartoÊci sà teo-
retyczne (najwi´ksze dopuszczane przez termodynamik´) – z wyjàtkiem wodorków metali i nanow∏ókien grafitowych.
Liczby dla tych dwóch materia∏ów dotyczà wodoru, który mo˝na z nich wydzieliç. Nanow∏ókna grafitowe to nowy ma-
teria∏, obecnie wcià˝ badany: przyj´to jego g´stoÊç 2 g/cm

3

. W przypadku akumulatorów podano obecnie uzyskiwa-

ne energie elektrochemiczne.

Potencja∏ energetyczny ogniw paliwowych

W wyniku reakcji elektrochemicznej, nazywanej re-
dukcjà, wytwarzana jest woda oraz powstaje ró˝nica
potencja∏ów bliska 1 V. Rzecz polega na bliskoÊci oby-
dwu elektrod; w przeciwnym razie jony wodoru nie
mog∏yby przedostaç si´ z anody do katody.

Hipotetyczne pojedyncze ogniwo tego typu (trój-

warstwowy przek∏adaniec platyna-elektrolit-platyna)
o powierzchni 16 cm

2

mog∏oby wytwarzaç moc do

0.85 W. Tak wi´c stos zawierajàcy szeÊç ogniw ∏àcz-
nej gruboÊci zaledwie 1 cm powinien daç do 5 W (na-
pi´cie 3 V, nat´˝enie pràdu 1.7 A). Rozwiàzanie tego
typu mog∏oby zaowocowaç bardzo zwartymi ogni-
wami dostarczajàcymi do 1000 Wh/l przy zasilaniu
wodorem ze sta∏ego wodorku oraz do 1400 Wh/kg
z wykorzystaniem w tym celu metanolu, czyli wyni-
ki by∏yby istotnie lepsze ni˝ w przypadku porówny-
walnych akumulatorów litowo-jonowych.

Nowe êród∏o paliwa?

Upowszechnianie si´ ma∏ych ogniw paliwowych zy-

ska∏oby na tempie, gdyby naukowcom uda∏o si´ znaleêç
lepsze êród∏o wodoru. Metanol jest bogaty w energi´,
ale jego u˝ycie komplikuje kilka problemów technicz-
nych, wodorki metali zaÊ sà zaledwie zadowalajàcym
medium do przechowywania wodoru.

Niedawno Terry Baker z Northeastern University

doniós∏ o odkryciu nowej postaci w´gla, nazwanej na-
now∏óknami grafitowymi, o niemal niewiarygodnej
w∏aÊciwoÊci: 1 g tej substancji mo˝e dostarczyç 10 l wo-
doru. Tak ogromna g´stoÊç energetyczna (równowa˝-
na oko∏o 16 kWh/kg) zap´dzi∏a w kozi róg wszystkie
inne materia∏y. Teoretycznie nanow∏ókna o obj´toÊci
mniej wi´cej pó∏ litra wystarczy∏yby do zasilania kom-
putera przenoÊnego d∏u˝ej ni˝ przez miesiàc!

Mimo ˝e wynik nale˝a∏oby powtórzyç na wi´kszà

skal´, to otrzymanie takich materia∏ów jak nanow∏ók-
na grafitowe Êwiadczy o ogromnym potencjale ogniw
paliwowych jako przenoÊnych êróde∏ energii. Jak na
ironi´, odkrycie, ˝e niektóre postacie w´gla mogà po-
mieÊciç znaczne iloÊci litu, przyczyni∏o si´ w du˝ej
mierze do post´pu w technologii akumulatorów.

T∏umaczy∏

Rafa∏ Bo˝ek

* W j´zyku polskim cz´sto pod poj´ciem „bateria” rozumiemy po-
tocznie elektrochemiczne êród∏o pràdu jednorazowego u˝ytku, w od-
ró˝nieniu od ∏adowanego wielokrotnie akumulatora. W niniejszym ar-
tykule termin bateria oznacza obydwa rodzaje êróde∏ (przyp. t∏um.).

Informacje o autorze

CHRISTOPHER K. DYER, dawniej pracownik AT&T Bell

Laboratories, póêniej Bell Communications Research, obec-

nie jest zatrudniony w Motoroli. Do 1998 roku by∏ prezesem

firmy Red Bank Research Company, b´dàcej spó∏kà Bellcore

i Motoroli, która rozwija∏a technologi´ cienkowarstwowych

ogniw paliwowych jego pomys∏u, przeznaczonych do prze-

noÊnych urzàdzeƒ elektronicznych. Dyer, absolwent Univer-

sity of Cambridge, jest tak˝e redaktorem mi´dzynarodowe-

go periodyku Journal of Power Sources.

Literatura uzupe∏niajàca

FUEL CELLS: THEIR ELECTROCHEMISTRY.

John O’M. Bockris i Supra-

maniam Srinivasan; McGraw-Hill, 1969.

FUEL CELL HANDBOOK.

A. J. Appleby i F. R. Foulkes; Van Nos-

trand Reinhold, 1989.

A NOVEL THIN-FILM ELECTROCHEMICAL DEVICE FOR ENERGY

CONVERSION.

C. K. Dyer, Nature, vol. 343, ss. 547-548, 8 II

1990.

W kioskach od 19 sierpnia br.

NOWY MIESI¢CZNIK

Co miesiàc 100 stron

ciekawych informacji,

porad i pi´knych zdj´ç.

Czasopismo

dla w∏aÊcicieli ma∏ych

i du˝ych ogrodów.

W numerze

wrzeÊniowym:

Ogród z letnià kuchnià

Najpi´kniejsze

fontanny Êwiata

Projekty wodnych kaskad

Wszystko o ró˝ach

RoÊlinne olbrzymy

Francuskie klimaty w ogrodzie

dekoratorki wn´trz

Bajkowe rzeêby na placach zabaw

Magiczne kamienne kr´gi

Zwierz´ta w Êwiecie autostrad

Zwiedzamy Wersal