ROZDZIAŁ VI

TECHNOLOGIA KONWERSJI

TECHNOLOGIA KONWERSJI

ENERGII W OGNIWACH

ENERGII W OGNIWACH

PALIWOWYCH

PALIWOWYCH

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Ogniwa paliwowe są urządzeniami generującymi prąd
elektryczny dzięki odwróceniu zjawiska elektrolizy.
Pierwszy raz zademonstrował je w 1839 r William R. Grove
w swoim doświadczeniu, które obrazowało możliwość
syntezy wodoru z tlenem w obecności katalizatora i fakt
powstawania prądu elektrycznego. Każde ogniwo paliwowe
pracuje w oparciu o jedną zasadniczą regułę, którą jest fakt
utleniania paliwa na elektrodach połączonych obwodem
elektrycznym przy obecności elektrolitu, który jest
przewodnikiem jonów powstających w trakcie reakcji.
Ogniwo paliwowe jest zbudowane z anody omywanej
paliwem i katody wzdłuż której przepływa utleniacz, a
pomiędzy, którymi znajduje się elektrolit. Na anodzie
paliwo jest katalitycznie "rozszczepiane" na kationy oraz
elektrony, które obwodem elektrycznym zmierzają do
katody gdzie wytwarzają aniony, które później łączą się z
kationami i w ten sposób powstaje prąd elektryczny będący
strumieniem elektronów płynącym zamkniętym obwodem
elektrycznym między elektrodami.

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Produktem ubocznym pochodzącym z łączenia
się jonów jest na ogół woda i dwutlenek węgla.
Najczęściej jako paliwo stosuje się wodór, a jako
utleniacz powietrze (zawarty w nim tlen),
ponieważ przy zastosowaniach komercyjnych
trudno przechowywać wodór ze względu na jego
wybuchowe właściwości uzyskuje się go w tzw.
procesorach paliwa z gazu. pochodzącego z
instalacji gazowej bezpośrednio przed
utlenieniem w ogniwie paliwowym. Ogniwa
paliwowe łączy się w stos co ma na celu
zwiększenia napięcia wyjściowego. W trakcie
pracy takiego systemu powstaje prąd stały
dlatego w celu umożliwienia jego dalszego
wykorzystywania stosuje się falownik
przemieniający prąd stały w zmienny, a do
takiego układu podłącza się elektroniczny system
niwelujący wahania mocy tak aby wytwarzany
prąd nie zmieniał swoich parametrów.

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

System wytwarzający energię elektryczną w oparciu o ogniwa paliwowe składa się z następujących sekcji:

•Procesor paliwowy

•Stos ogniw paliwowych

•Zespół przetwarzający prąd elektryczny

W procesorze paliwowym gaz ziemny wstępnie jest oczyszczany z zawartej w nim siarki będącej trucizną dla

katalizatora, a następnie wytwarza się z metanu wodór w dwojaki sposób:

1.

Poprzez katalityczne utlenianie metanu tlenem co przebiega egzotermicznie więc nie potrzeba tutaj dostarczać

energii do tego procesu, a powstałe ciepło można wykorzystać na przykład do ogrzewania wraz z ciepłem

wytwarzanym w ogniwie. Wadą tej metody jest mniejsza ilość wytwarzanego wodoru w stosunku do liczby

użytych cząstek metanu (z jednego mola metanu powstają dwa mole cząsteczek wodoru). Reakcja ta przebiega

w następujący sposób:

CH

4

+ O

2

--> CO

2

+ 2H

2

2.

Poprzez konwersje metanu za pomocą pary wodnej przy zastosowaniu katalizatora niklowego i ciśnienia około

0,1 MPa przy temperaturze 750

o

C. Jest to proces przebiegający endotermicznie, a więc wymagający

dostarczenia energii. Ze względu na trudne do uzyskania warunki metoda ta jest stosowana głównie w

systemach o dużej mocy. Jej główną zaletą jest fakt, że z jednego mola metanu można uzyskać dwukrotnie

więcej wodoru (cztery mole wodoru z jednego mola metanu). Reakcja ta ma następujący przebieg:

CH

4

+ 2H

2

O --> CO

2

+ 4H

2

Następnie powstały w wyniku tej reakcji wodór jest oczyszczany z dwutlenku węgla, w przypadku ogniwa

paliwowego operującego na stopionych węglanach dwutlenek węgla jest później wykorzystywany do

wymieszania z utleniaczem lub jest odprowadzany jako spaliny w zależności od typu systemu.

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTO CH O W A

ENERG Y ENG INEERING

LABO RATO RY

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

PODSTAWOWE TYPY OGNIW PALIWOWYCH

PODSTAWOWE TYPY OGNIW PALIWOWYCH

Typ ogniwa paliwowego

(wg rodzaju elektrolitu, skrót nazwy angielskiej)

Ogniwo ze

stałym tlenkiem

SOFC

Ogniwo ze

stopionymi

węglanami

MCFC

Ogniwo z kwasem

fosforowym

PAFC

Ogniwo z

roztworem

alkaliów

AFC

Ogniwo z membraną

protonowo-

przewodzącą

PEMFC

Elektrolit

Ceramika

Sól stopiona

H

3

PO

4

KOH

Polimer

Temperatura pracy

ogniwa w

O

C

1000

650

190

80-120

80-140

Paliwo

H, CO, H z

reformingu

H, H z

reformingu

H, H z reformingu

H

H, H z reformingu

Reforming

Zewnętrzny,

wewnętrzny

Zewnętrzny,

wewnętrzny

Zewnętrzny

Zewnętrzny

Utleniacz

Tlen (powietrze)

Tlen (powietrze)

CO

2

Tlen (powietrze)

Tlen

Tlen (powietrze)

Sprawność w %

>60

>60

40-50

40-50

40-50

Zakres mocy

>100MW

>100MW

200kW-10MW

1kW-200kW

100W-10MW

Zastosowanie

Źródła

scentralizowane

Źródła

scentralizowane

Źródła

rozproszone

Badania

kosmosu

Napęd, Źródła

scentralizowane

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe ze sta

Ogniwa paliwowe ze sta

ł

ł

ym tlenkiem (SOFC)

ym tlenkiem (SOFC)

W ogniwach paliwowych tego typu jako elektrolitu używa się materiału ceramicznego, który stanowi tlenek
cyrkonu (ZrO

2

) wzbogacony itrem, który przy temperaturze 1000

O

C jest doskonałym przewodnikiem anionów

tlenowych. Dzięki zastosowaniu stałego elektrolitu praktycznie nie występuje problem korozji, nie potrzeba
porowatej substancji utrzymującej elektrolit w jednym miejscu. Brak tutaj strat elektrolitu spowodowanych jego
parowaniem oraz dyfuzją przez elektrody do strumienia gazu. Anodę stanowi porowaty spiek niklowy lub
cyrkonowy, a katodą jest magnez domieszkowany manganianem lantanu. W wersji produkowanej przez
Westinghouse SOFC jest zbudowane z mniejszej rury wykonanej z porowatego spieku cyrkonowego otoczonej
tlenkiem cyrkonu (ZrO

2

) który z zewnątrz otulony jest anodą. We wnętrzu katody (mniejsza rura) przepływa

powietrze, a cały układ jest obmywany z zewnątrz przez paliwo. W ogniwie paliwowym tego typu rolę utleniacza
pełni czysty tlen lub powietrze, a paliwo stanowi wodór, tlenek węgla lub metan.

W trakcie pracy ogniwa na anodzie zachodzi następująca reakcja:
1.

H

2

+ O

2

- -->H

2

O + 2e- w przypadku zastosowania wodoru jako paliwa, który po przyłączeniu anionów

tlenkowych płynących przez elektrolit z katody, wytwarza wodę która opuszcza miejsce reakcji wraz ze
strumieniem paliwa, oraz elektrony które zewnętrznym obwodem przepływają do katody.

2.

CO + O

2

- --> CO

2

+ 2e- dla tlenku węgla jako paliwa który w wyniku reakcji z anionem O

2

- wytwarza

dwutlenek węgla który również wydziela się do strumienia paliwa, oraz elektrony które przez zamknięty
obwód zewnętrzny płyną do katody.

3.

CH

4

+ 4O

2

- --> 2H

2

O + CO

2

+ 8e- dla metanu pełniącego rolę paliwa w wyniku, której powstaje woda i

dwutlenek wydzielające się do strumieni paliwa oraz elektrony. Na katodzie zachodzi następująca reakcja:
O

2

+ 4e- --> 2O

2

- w wyniku której powstają aniony tlenowe wędrujące przez elektrolit do anody.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Obecnie ogniwa tego typu uzyskują gęstość mocy wynoszącą około 1,5 kW/m

2

aktywnej powierzchni

ogniwa przy napięciu 0,6 V. SOFC pracuje ze sprawnością wynoszącą 40-50%, wyniki badań wskazują na
fakt, że zwiększenie ciśnienia podniesie sprawność do około 60%. Dzięki wysokiej temperaturze pracy
ciepło wydzielające się w jej trakcie jest odprowadzane kanałami znajdującymi się w elektrodach i może
być ono wykorzystane do uzyskiwania dodatkowej energii elektrycznej lub ogrzewania. Zastosowanie
takiego rozwiązania podnosi sprawność energetyczną systemu. Ponadto ogniwa tego typu są bardziej
odporne na obecność siarki w paliwie co ułatwia wykorzystanie gazu z instalacji miejskich, gdyż nie trzeba
go bardzo dokładnie oczyszczać. SOFC jest bardzo wrażliwe na zmiany temperatury gdyż jej obniżenie o
10% powoduje spadek sprawności elektrycznej o 12% co jest powodowane wzrostem oporności elektrolitu
stawianego jonom O

2

-. Kolejnym mankamentem jest wysoka temperatura pracy, która zmusza do budowy

SOFC ze specjalnych materiałów wytrzymujących trudne warunki, uniemożliwia ona również
miniaturyzację tych systemów, a ponadto utrudnia ich obsługę. Technologia ta ze względu na trudne
warunki pracy znajduje zastosowanie tylko w systemach stacjonarnych o dużej mocy.

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe ze sta

Ogniwa paliwowe ze sta

ł

ł

ym tlenkiem (SOFC)

ym tlenkiem (SOFC)

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

W ogniwach tego typu elektrolit stanowią stopione węglany litu (Li

2

CO

3

) i potasu (K

2

CO

3

). Pierwsze prace nad

tym typem ogniw rozpoczęto w 1960 r kiedy to pojawił się pomysł ogniwa mogącego wykorzystać węgiel
kamienny jako paliwo. Stopiony elektrolit pracujący w temperaturze 650

O

C jest wymieszany tutaj z obojętnym

chemicznie porowatym materiałem ceramicznym którym może być LiA102 stosowany w badaniach prowadzonych
przez Departament Obrony USA. Anodę stanowi tutaj porowaty spiek niklowy wzbogacony chromem w celu
zapobieżenia odkształceniom powstającym w trakcie pracy ogniwa. Katoda jest uformowana ze spieku tlenku niklu
z litem. Niecelowe byłoby stosowanie tutaj metali szlachetnych, ponieważ dzięki wysokiej temperaturze można
stosować znacznie tańszy katalizator jakim jest nikiel. Paliwem w przypadku MCFC może być tlenek węgla (CO)
pochodzący z niecałkowitego spalania węgla, lub wodór.

W przypadku zastosowania wodoru na anodzie zachodzi następująca reakcja:

H

2

+ CO

3

2-

-->H

2

O + CO

2

+ 2e- W wyniku której elektrony płyną zewnętrznym obwodem elektrycznym, a do

strumienia paliwa wydziela się para wodna i dwutlenek węgla który powinien być odzyskany z resztek po paliwie,
gdyż jest on później wykorzystywany do rekombinacji anionu węglanowego na katodzie. Może się to odbywać
poprzez spalenie w powietrzu pozostałości po paliwie w celu usunięcia resztek wodoru, którego wprowadzenie do
obwodu utleniacza spowodowałoby wybuch. W przyszłości do separacji CO

2

od substancji pozostałych po zużyciu

paliwa, planuje się stosowanie specjalnych separatorów membranowych.

Ogniwa paliwowe ze stopionym w

Ogniwa paliwowe ze stopionym w

ę

ę

glanem (MCFC)

glanem (MCFC)

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

W przypadku zastosowania tlenku węgla jako paliwa na anodzie zachodzi następująca reakcja:
CO + CO

3

2-

--> 2CO

2

+ 2e- W wyniku której wydziela się dwutlenek węgla do strumienia paliwa oraz powstają

elektrony płynące zewnętrznym obwodem do katody. Analogicznie należy tutaj odseparować dwutlenek węgla
który jest potrzebny do procesów katodowych.
Na katodzie wzdłuż której płynie strumień utleniacza (czysty tlen lub powietrze) wymieszany z dwutlenkiem węgla
zachodzi następująca reakcja: 2CO

2

+ O

2

+ 4e- --> 2CO

3

2-

w wyniku której powstają aniony węglanowe.

Ogniwa paliwowe ze stopionym w

Ogniwa paliwowe ze stopionym w

ę

ę

glanem (MCFC)

glanem (MCFC)

Ogniwa paliwowe MCFC pracują ze sprawnością wynoszącą 50-60% oraz mogą one wykorzystywać inne typy
paliwa co daje im pewną przewagę nad PAFC. Dzięki wysokiej temperaturze pracy wydzielane ciepło można
wykorzystać do zwiększenia sprawności elektrycznej całej instalacji, poprzez zastosowanie nadwyżek ciepła w
klasycznych układach w których para z jej wytwornicy przebiega przez turbinę, wytwarzając energię mechaniczną,
którą przetwarza się na energię elektryczną. Pewną wadą MCFC jest konieczność stosowania gazu jako chłodziwa,
który przebiegając z dużą prędkością przez cienkie kanaliki w elektrodach wytwarza dość głośny szum. Innym
problemem jest duża wrażliwość na zmiany temperatury elektrolitu gdyż jej spadek z 650

O

C do 600

O

C powoduje

tak znaczny wzrost oporu stawianego przez elektrolit anionom węglanowym, że napięcie spada o około 15%.
Jednym z głównych celów badań nad MCFC jest opracowanie materiału na katody, który również nie był by drogi i
nie korodował tak szybko jak ma to miejsce obecnie. W Stanach Zjednoczonych produkcją i badaniami nad
ogniwami typu MCFC zajmuje się Energy Research Corporation (ERC) i M-C Power Corporation. ERC
wyprodukowała dwumegawatową elektrownię w Santa Clara w Kalifornii. Urządzenie to przepracowało już 3 tyś.
godzin rzadko uzyskując moc przekraczającą 1 MW.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe operujące na kwasie ortofosforowym (H

3

PO

4

) jako elektrolicie, zostały opracowane ponad 20 lat

temu. System ten jest obecnie najszerzej stosowany w celach komercyjnych w zestawach o znacznej mocy m.in. ze
względu na daleko posunięte badania nad tym typem ogniw paliwowych. Zaletą tego typu systemów jest stosunkowo
niska temperatura pracy wynosząca 190

O

C. Ten typ ogniw paliwowych jest obecnie najszerzej stosowany na

świecie. Paliwem jest tutaj wodór, który na przykład może być uzyskiwany w wyniku reformowania węglowodorów
(gazu ziemnego). W ogniwie tym elektrolitem jest kwas ortofosforowy znajdujący się w teflonowanej przestrzeni
międzyelektrodowej wypełnionej węglikiem krzemu (SiC), którego porowata struktura utrzymuje elektrolit w
jednym miejscu uniemożliwiając jego tzw. wylanie. Zarówno anoda jak i katoda wykonane są z porowatego grafitu
wzbogaconego platyną, która pełni tutaj rolę katalizatora. Elektrolit znajdujący się między elektrodami pełni rolę
przewodnika jonów powstających w wyniku katalitycznych reakcji zachodzących w trakcie pracy ogniwa. Anodę
obmywa wodór, który przy obecności katalizatora reaguje następująco: H

2

--> 2H

+

+ 2e- W wyniku czego powstają

kationy wodorowe, które poprzez elektrolit biegną do katody oraz elektrony które biegnąc zewnętrznym obwodem
stanowią stały prąd elektryczny. Na katodzie w obecności katalizatora zachodzi następująca reakcja:
1/2O

2

+2H

+

+2e

_

-->H

2

O w wyniku, której elektrony z zewnętrznego obwodu prądu stałego łączą się z kationami

wodorowymi oraz tlenem mogącym pochodzić z powietrza, w wyniku czego powstaje para wodna wydzielająca się z
katody do nadwyżek powietrza lub tlenu omywającego katodę z zewnątrz. Umożliwiając tym samym odprowadzenie
wody z miejsca reakcji, dzięki czemu elektrolit nie ulega rozcieńczeniu co spowodowałoby spadek jego
przewodności jonowej, a tym samym ogólny spadek wydajności systemu. Dużą zaletą tego systemu jest możliwość
stosowania powietrza zamiast tlenu jako utleniacza ze świetnymi wynikami, efektem czego jest obniżenie ceny
zestawu oraz zmniejszenie stopnia komplikacji urządzenia.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Ogniwa PAFC pracują ze sprawnością wynoszącą 36-42%
którą można zwiększyć stosując sprężone paliwo i utleniacz
co podwyższy koszt budowy urządzenia, utrudni jego obsługę
oraz zwiększy awaryjność, ponieważ komplikując mechanizm
działania narażamy się na większe prawdopodobieństwo
wystąpienia awarii. Ogniwo PAFC dostarcza również
znaczne ilości ciepła ze sprawnością cieplną 37-41%,
nadmiar, którego jest odprowadzany poprzez specjalne
cienkie kanaliki znajdujące się we wnętrzu każdej z elektrod.
Przepływa przez nie gaz odbierający ciepło, które można
później wykorzystać do innych celów. Ogniwa PAFC cechuje
gęstość mocy wynosząca od 1,7-1,9 kW/m

2

aktywnej

powierzchni ogniwa. Wadę tego systemu stanowi czułość
elektrolitu na nadmierne przegrzanie gdyż przy temperaturze
wynoszącej około 210

O

C następuje rozkład kwasu

fosforowego co zmusza do stosowania czułych systemów
chłodzenia. Pewien problem stanowi również niewielka
ucieczka elektrolitu który dyfundując poprzez elektrody i
uciekając z przepływającymi gazami zmusza do uzupełnienia
jego stanu już po kilkunastu godzinach pracy ogniwa.

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Na świecie istnieje obecnie około 12 organizacji (z czego siedem w Stanach Zjednoczonych) produkujących
ogniwa paliwowe tego typu. Jedną z największych jest ONSI należący do United Technologies firma ta
prowadzi badania od lat siedemdziesiątych ubiegłego stulecie dzięki czemu systemy przez nich produkowane są
obecnie jednymi z najbardziej zaawansowanych technicznie. Obecnie na świecie pracuje około 170 instalacji
wytworzonych przez ONSI z czego prawie wszystkie są na gaz ziemny. W Stanach Zjednoczonych od 1996r
ONSI wraz z Departamentem Obrony i Energii prowadzi akcję polegającą na dofinansowywaniu ogniw
produkowanych przez tą firmę w wysokości 1000 USD za każdy kilowat mocy lub trzecią część wartości
instalacji w zależności od tego która kwota jest niższa dzięki czemu ułatwia się dostępność tych systemów dla
zastosowań komercyjnych mimo ich wysokiej ceny. Obecnie cena jednego kilowata mocy ogniwa PAFC
ustabilizowała się przy około 4000 USD co trzykrotnie przekracza cenę innych konkurencyjnych systemów
wytwarzania energii. W związku z czym opiniodawcy uważają tą technologię za nieperspektywiczną, dlatego
obecnie większość producentów przestawia swoje prace badawcze na produkcję ogniw innego typu dla których
przewiduje się niższą cenę.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe o zasadowym elektrolicie (AFC)

Ogniwa paliwowe o zasadowym elektrolicie (AFC)

Ogniwa paliwowe wykorzystujące wodny roztwór zasady,
którym przeważnie jest wodorotlenek potasu (KOH), jako
elektrolit. Rolę katalizatora pełni tutaj platyna, osiągają one
sprawność dochodzącą do 70%. Paliwem jest tutaj wodór, a
utleniaczem tlen lub powietrze. Były one bardzo długo
wykorzystywane przez NASA w trakcie lotów w kosmos jako
bardzo wydajne i zwarte źródło energii elektrycznej, używano
tutaj czystego wodoru i tlenu, które są używane jako źródło
ciągu w rakietach i promach kosmicznych, a dzięki ich
czystości nie występowały problemy wynikające z faktu, że
wodorotlenek potasu reaguje z dwutlenkiem węgla dając
węglan, usuwając tym samym anion wodorotlenkowy będący
przenośnikiem ładunku. Ten fakt utrudnia zastosowanie AFC w
celach komercyjnych, ponieważ usunięcie całego dwutlenku
węgla z paliwa i powietrza jest zadaniem trudnym i
podwyższającym cenę, co powoduje, że rzadko prowadzi się
badania nad tym typem ogniw gdyż istnieją tańsze w użyciu
ogniwa paliwowe. Przykładem zastosowania AFC jest
Millenium London Taxi wyprodukowane przez Zevco.
Wykorzystuje ono ogniwo o mocy 5 kW podłączone do
systemu hybrydowego, zasilane sprężonym wodorem
przewożonym w butlach co stwarza poważne zagrożenie w
razie wypadku, auto to ma zasięg wynoszący 120 km.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe z membran

Ogniwa paliwowe z membran

ą

ą

wymiany proton

wymiany proton

ó

ó

w (PEMFC, PEFC)

w (PEMFC, PEFC)

Ogniwa paliwowe tego typu jako elektrolit wykorzystują materiał polimerowy będący w fazie stałej. Operują
przy temperaturze około 80

O

C co czyni je bardzo użytecznymi ze względu na brak ciekłego elektrolitu i niską

temperaturę pracy, która pozwala na zastosowanie ich w komercyjnych systemach energetycznych o małej
mocy oraz powoduje, że są bezpieczne dla obsługi. Dzięki temu, że elektrolit jest wykonany z materiału
polimerowego brak tutaj problemu korozji elektrod. Materiał stanowiący elektrolit jest substancją o składzie
zbliżonym do teflonu ze związanym wewnątrz kwasem sulfonowym, który nie może go opuścić, a tym samym
"rozlać się". Struktura taka jest opornikiem elektrycznym, ale potrafi świetnie przewodzić kationy wodorowe
będące protonami (stąd nazwa ogniwa), które mogą swobodnie przepływać przez nią dzięki obecności kwasu
sulfonowego. Elektrolit taki wygląda jak gruba kartka papieru i jest bardzo bezpieczny. Anoda i katoda są
wykonane z cienkiego grafitowanego papieru, który wcześniej został zabezpieczony przed działaniem wody za
pomocą teflonu, pokrytego platyną pełniącą role katalizatora. Elektrolit wkłada się pomiędzy anodę i katodę, a
następnie sprasowuje się je pod ciśnieniem i przy podwyższonej temperaturze i tak powstaje zespół
membranowo - elektrodowy zwany MEA (ang. Membrane/Electrode Assembly). Zespół taki stanowiący rdzeń
całego systemu ma około jednego milimetra grubości. Na każdej z elektrod formuje się kanały dla paliwa lub
utleniacza oraz dla chłodzenia. W PEMFC na elektrodach zachodzą taki same reakcje jak w ogniwach
paliwowych z kwasem fosforowym.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe z membran

Ogniwa paliwowe z membran

ą

ą

wymiany proton

wymiany proton

ó

ó

w (PEMFC, PEFC)

w (PEMFC, PEFC)

Obecnie dzięki szybkiemu rozwojowi tej technologii w ciągu ostatnich kilkunastu latach uzyskuje się gęstość
mocy wynoszącą 6,4 kW/m

2

aktywnej powierzchni ogniwa co odpowiada 9,15 kA/m

2

przy 0,7 V na ogniwo

stosując sprężony tlen oraz 3,78 kW/m

2

co odpowiada 5,4 kA/m

2

przy tym samym napięciu używając sprężonego

powietrza jako utleniacza. W Ballard Power Systems zajmującym się wytwarzaniem ogniw paliwowych dzięki
zastosowaniu specjalnej membrany pochodzącej od Dow Chemical uzyskuje się gęstość mocy wynoszącą 21,5
kW/m

2

co odpowiada 43 kA/m

2

przy 0,5 V na ogniwo stosując sprężony tlen jako utleniacz co daje prawie

dziesięciokrotnie lepsze wyniki i jest bardzo obiecujące dla przyszłych zastosowań, oraz umożliwiłoby ich
świetną miniaturyzację co w połączeniu z niską temperaturą pracy daje szerokie możliwości zastosowania
PEMFC. Pod koniec programu badawczego nad ogniwami tego typu prowadzonego przez NASA ilość zużywanej
platyny wynosiła już około 0,3 g/m

2

dla każdej z elektrod co odpowiada około 17 g/kW w przypadku ogniwa

operującego na wodorze i powietrzu. Prace badawcze prowadzone w Los Alamos National Laboratory
demonstrują techniki wysycenia elektrod platyną w sposób umożliwiający użycie jej w ilości wynoszącej 0,021
g/m

2

co powoduje użyciu platyn w ilości 1,2 g/kW przy zastosowaniu powietrza jako utleniacza oraz 0,6 g/kW w

przypadku użycia tlenu jako utleniacza. Badania te umożliwią przyszłe zmniejszenie ilości platyny zużywanej do
wytwarzania elektrod do około 1 g/kW co będzie miało istotny wpływ na końcową cenę systemu.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe z membran

Ogniwa paliwowe z membran

ą

ą

wymiany proton

wymiany proton

ó

ó

w (PEMFC, PEFC)

w (PEMFC, PEFC)

PEMFC zazwyczaj operuje przy temperaturze wynoszącej od 70

O

C

do 85

O

C jednak pracując w temperaturze pokojowej osiąga połowę

maksymalnej mocy, a w ciągu trzech minut jest w stanie rozgrzać się
do temperatury nominalnej. Zaletą tego ogniwa jest niska wrażliwość
na obecność tlenku węgla w paliwie co jest powodowane jego
ubocznym wytwarzaniem w trakcie pracy reformera gazu. Obecnie z
tym typem ogniw wiąże się wielkie nadzieje dzięki jego stosunkowo
niskiej cenie, możliwością rozwoju tej technologii, niskiej
temperaturze i prostej budowie. Firma Power Systems należąca do
General Electric wspólnie z Plug Power prowadzi sprzedaż systemów
energetycznych opartych na PEMFC o mocy 35 kW. Innym
ciekawym zastosowaniem tego typu ogniw jest system o mocy 7 kW
uruchomiony przez Plug Power w jednym z domów,
zamieszkiwanym przez dwóch inżynierów firmy, w Latham w stanie
Nowy Jork gdzie pracuje on do dziś i był on pierwszym systemem
demonstrującym możliwość zastosowania ogniw paliwowych do
zaopatrywania domów w energię elektryczną. Ogniwa paliwowe
znalazły także zastosowanie w jednym z projektów dla Departamentu
Transportu stanu New Jersey wykonywanym przez H Power, w
którym modernizuje się 65 drogowych tablic informacyjnych tak aby
wykorzystywały one energię elektryczną pochodzącą z PEMFC.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Ogniwa paliwowe z membran

Ogniwa paliwowe z membran

ą

ą

wymiany proton

wymiany proton

ó

ó

w (PEMFC, PEFC)

w (PEMFC, PEFC)

W Polsce dystrybucją ogniw paliwowych zajmuje się firma Vaillant, która oferuje systemy przeznaczone do
zastosowania w domach jako układ grzewczy instalacji centralnego ogrzewania oraz system wytwarzający energię
elektryczną bezpośrednio w domu z gazu ziemnego, dzięki czemu minimalizuje się straty powodowane ich
przesyłem na duże odległości, które dla prądu elektrycznego są rzędu 3¸7% co ma istotny wpływ na jej końcową
cenę. Oferowane układy dysponują mocą rzędu 1¸50 kW, ich sprawność elektryczna wynosi od 35 do 40%, a
całkowita 80%. Zestaw taki ma następujący schemat działania: Do reformera jest wprowadzany gaz (po uprzednim
odsiarczeniu), para wodna oraz powietrze pod ciśnieniem w wyniku czego powstaje wodór, a powstający w
niewielkich ilościach tlenek węgla jest następnie utleniany do dwutlenku węgla. Tak przygotowany gaz po
nawilżeniu wpływa na anody ogniw gdzie zachodzą opisane wcześniej reakcje elektrochemiczne, utleniaczem jest
tutaj powietrze. Powstające w tym procesie ciepło jest odprowadzane przez pierwotny obieg chłodzący i używa się
go w instalacji C.O. Pozostałe w paliwie resztki wodoru są następnie katalitycznie dopalane, a powstałe w wyniku
tego ciepło jest również używane do ogrzewania domu. Powstający w ogniwie prąd elektryczny jest następnie
zamieniany na przemienny za pomocą inwertera, a ciepło spalin jest wykorzystywane do ogrzewania reformera. W
trakcie szczytowych zapotrzebowań na ciepło włączany jest dodatkowy podgrzewacz. Z systemem grzewczym jest
zintegrowany podgrzewacz wody użytkowej dzięki czemu tak prosty układ jest wstanie zaspokoić prawie całe
potrzeby energetyczne domu.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

WYKORZYSTANIE OGNIW PALIWOWYCH

WYKORZYSTANIE OGNIW PALIWOWYCH

Moc elektryczna

ogniwa paliwowego

Zastosowania

1 W

Źródło prądu do podtrzymania pracy komputerów, nadajników, radia...

>10 W

Źródło prądu do zasilania lamp sygnalizacyjnych, sterowania na statkach kosmicznych

>100 W

Przenośne urządzenie do oświetlania pomieszczeń, wykorzystywane przez służby ratownicze

>1 kW

Źródło prądu na placach montażu urządzeń, dla małych pojazdów z napędem hybrydowym

ogniwo paliwowe – akumulator, na jachtach żaglowych, w gospodarstwach domowych do

ogrzewania pomieszczeń...

>10 kW

Napęd samochodów, źródło prądu na statkach, w pociągach, samolotach, jako rezerwowe

zasilania

>100 kW

Małe elektrociepłownie zasilane gazem ziemnym lub biogazem, napęd ciężkich pojazdów,

lokomotyw, statków. Stacjonarne źródło prądu.

>1 MW

Małe skojarzone układy, zdecentralizowane źródła prądu

>10 MW

Zdecentralizowane małe elektrownie (ogniwo paliwowe – turbina gazowa)

>100 MW

Wysokosprawne duże elektrownie (ogniwa paliwowe, układ gazowo – parowy)

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Hybrydowy uk

Hybrydowy uk

ł

ł

ad wytwarzania energii ogniwo paliwowe/turbina gazowa

ad wytwarzania energii ogniwo paliwowe/turbina gazowa

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

Ogniwo

paliwowe

SOFC

C

Filtr

G

Energia

elektryczna

DC

AC

T

Energia

elektryczna

Powietrze

Gaz

ziemny

Wylot

spalin

Turbina

gazowa

Sprężarka

Generator

Wymiennik ciepła

Odsiarczanie

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Charakterystyka uk

Charakterystyka uk

ł

ł

adu SOFC/GT o mocy elektrycznej 220 kW

adu SOFC/GT o mocy elektrycznej 220 kW

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

Wyszczególnienie

Jednostka miary

Wartość

Prąd ogniwa

A

267

Napięcie ogniwa

V

0,61

Ciśnienie

MPa

0,29

Przepływ sprężarki

kg/s

0,60

Temperatura na wlocie do turbiny

o

C

840

Moc elektryczna ogniwa

kW

187 DC

Moc turbozespołu

kW

47 AC

Moc elektryczna netto do systemu

kW

220

Sprawność netto układu

%

57

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Ogniwa paliwowe w elektroenergetyce

Ogniwa paliwowe w elektroenergetyce

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

W Stanach Zjednoczonych prace nad energetycznymi (stacjonarnymi) ogniwami paliwowymi przebiegają
niejako w cieniu wielkich programów, ukierunkowanych głównie na rozwój turbin gazowych. Są to:
•Program Zaawansowanych Systemów Turbin (ATS), realizowany od roku 1991 i roku docelowym 2001,
•Program Turbin Gazowych Nowej Generacji (NGGT), przewidziany na lata 2001 – 2015,
•Program „Vision 21”, zmierzający do stworzenia koncepcji elektrowni 21 wieku.

Program NGGT, zwraca uwagę na możliwości zintegrowania w systemie ogniw paliwowych. Proponowane i
rozwijane układy hybrydowe ogniwo paliwowe/turbina gazowa odnoszą się do mocy zainstalowanych poniżej 1
MW, to uzyskane już doświadczenia (wyprzedzające harmonogram czasowy projektu NGGT) rokują
rozwinięcie tej technologii na zakres mocy większych. Świadczy o tym równoległy program „Vision 21”
elektrowni XXI wieku, nie ograniczający zastosowań ogniw paliwowych do wybranych zakresów mocy.

W maju 2000r. Siemens Westinghouse Power Corp. oraz Southern California Edison ogłosiły o zakończeniu
prób fabrycznych pierwszego układu hybrydowego: ogniwo paliwowe/turbina gazowa. Układ o mocy 220 kW,
obejmuje dwie technologie: ogniwo paliwowe ciśnieniowe ze stałym tlenkiem (SOFC) oraz sprężona z
generatorem mikroturbina gazowa. Wprowadzenie do układu absorpcyjnej pompy ciepła umożliwia w okresie
letnim produkcję zimna, co zwiększa czas wykorzystania układu w ciągu roku.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Harmonogram realizacji program

Harmonogram realizacji program

ó

ó

w ATS, NGGT oraz

w ATS, NGGT oraz

Vision

Vision

21

21

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

PROGRAM

ZAAWANSOWANE
SYSTEMY TURBIN

GAZOWYCH

ATS

*Gaz ziemny
*Elektrownie
systemowe
*Elektrownie
przemysłowe

PROGRAM

„SYSTEMY TURBIN GAZOWYCH NASTĘPNEJ

GENERACJI” NGGT

*Elastyczne systemy Turbin Gazowych
*Zastosowania elementów programu „Vision 21”
•Systemy hybrydowe ogniwo paliwowe/turbina (>1MW)
•Systemy elastyczne paliwowo
•Zaawansowane technologie gazowo/parowe dla elektrowni
systemowych

PROGRAM

„Vision21”

*Moduły

systemowe

*Procesy spalania

*Procesy wymiany

ciepła

*Materiały

Wspierające prace B+R

*Zaawansowane środki obliczeniowe

*Diagnostyka/Sterowanie/Monitorowanie

*Procesy

obsługowe

2000

2001

2015

2010

Czas

(rok)

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Najbli

Najbli

ż

ż

sze cele programu NGGT

sze cele programu NGGT

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

Elastyczne Systemy
Turbin (FTS)

Elastyczne Paliwowe
Systemy Zaawansowane

Hybrydowe układy
ogniwo paliwowe –
turbina

Sprawność wytwarzania
energii elektrycznej

15% przyrost sprawności

45% (cykl gazowo –

parowy)

70%

Zakres mocy
znamionowych

>30 MW

>50 MW

<30 MW

Paliwo

Gaz ziemny

Węgiel

Gaz ziemny

Rynki

Generacja scentralizowana/

rozproszona

Generacja scentralizowana

Generacja rozproszona

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Sk

Sk

ł

ł

ad chemiczny biogazu otrzymywanego z

ad chemiczny biogazu otrzymywanego z

gazyfikacji biomasy

gazyfikacji biomasy

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

Komponent

Udział objętościowy w %

CO

8,90

CO

2

15,60

H

2

7,38

CH

4

5,22

C

2

H

4

1,14

C

2

H

6

0,26

H

2

O

24,00

N

2

37,50

Ogniwa paliwowe w elektroenergetyce

Ogniwa paliwowe w elektroenergetyce

Siemens Westinghouse przewiduje oddanie do eksploatacji
demonstracyjnej jednostki hybrydowej 250 kW, zasilanej gazem z
gazyfikacji biomasy, wytwarzającej w skojarzeniu ciepło i energię
elektryczną. W próbach fabrycznych tej jednostki uzyskano moc
164 kW z ogniwa SOFC oraz 21 kW z mikroturbiny. Układy
wykorzystujące ogniwa paliwowe (autonomiczne lub w wersji
hybrydowej) osiągnęły już dojrzałość techniczną, lecz nie są
konkurencyjne kosztowo. Pojedyncze ogniwo paliwowe generuje
napięcie elektryczne poniżej 0,7 V i dlatego zestawia się je
szeregowo w baterie (stos). Ogniwo paliwowe o mocy
elektrycznej 200 kW ma napięcie pracy na poziomie 200 V.
Obecnie na świecie pracuje prawie 200 ogniw paliwowych PC25
typu PAFC o mocy ok.. 230 kW. Ogniwo składa się z 280 cel o
napięciu 0,66 V. Przy napięciu stałym ok.. 175 V przepływa prąd
o wartości 1,315 A przez aktywną powierzchnię o wielkości 0,49
m

2

(0,7x0,7). Tego typu ogniwa wykorzystuje się do ogrzewania i

klimatyzacji pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody
użytkowej.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Schemat proces

Schemat proces

ó

ó

w w ogniwie paliwowym typu SOFC

w w ogniwie paliwowym typu SOFC

wykorzystuj

wykorzystuj

ą

ą

cym biopaliwo

cym biopaliwo

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

Separacja

tlenu

Podgrzewacz

powietrza

Wymiennik

ciepła

Podgrzewacz

paliwa

Generacja energii

Elektrycznej

(SOFC)

Reaktor

Powietrze zubożone w tlen

Powietrze zubożone w wodór

Gazy

odlotowe

Powietrze

Paliwo

Energia elektryczna

Zubożone

paliwo

Ciepło

Ciepło

Ciepło

Ciepło

Ciepło

Wodór

Tlen

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

G

G

ę

ę

sto

sto

ść

ść

mocy ogniw paliwowych

mocy ogniw paliwowych

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

Typ ogniwa

Eksperymentalna gęstość mocy

pojedynczego ogniwa (celi) w kW/m

2

Osiągalna technicznie gęstość mocy całego

ogniwa w kW/m

2

PAFC

2,0

1,3

AFC

4,0

2,0

PEFA

6,0

3,0

MCFC

2,2

1,4

SOFC

19,3 (przy 800

o

C)

6,0 (przy 800

o

C)

Wartość prądu ogniwa paliwowego zależy od wielkości aktywnej powierzchni i jednostkowej mocy
powierzchni zależnej od rodzaju elektrolitu. Z tabeli wynika, że ogniwo paliwowe wysokotemperaturowe
typu SOFC ma największą gęstość mocy, a wśród niskotemperaturowych – ogniwo typu PEFC.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Por

Por

ó

ó

wnanie ogniwa paliwowego z ma

wnanie ogniwa paliwowego z ma

łą

łą

blokow

blokow

ą

ą

elektrociep

elektrociep

ł

ł

owni

owni

ą

ą

„Krajowa Konferencja Energetyczna” Rydzyna 18-20 X 2000 r.

Wyszczególnienie

Ogniwo paliwowe

PC25C typu PAFC

Mała blokowa

elektrociepłownia

Moc elektryczna w kW

200

200

Moc cieplna w kW

220

345

Sprawność wytwarzania energii elektrycznej

0,40

0,33

Sprawność całkowita układu

0,90

0,90

Koszty inwestycyjne w DM/kW mocy elektrycznej

6000

1500

Całkowite koszty inwestycyjne w DM

1 994 000

52 500

Koszty eksploatacyjne w DM/rok

80 000

35 000

Dyspozycyjność w %

>95

>90

Czas pracy do pierwszego uszkodzenia w godz.

2 800

450

Wymiary zewnętrzne urządzenia w m

5,5x3x3

3,5x1,6x2

Czas wykorzystania mocy zainstalowanej w ciągu roku w godz.

8 000

5 100

Produkcja energii elektrycznej w kWh/rok

1 600 000

1 759 000

Produkcja ciepła w kWh/rok

1 760 000

1 020 000

Zysk roboczy w DM/rok

90 662

257

W obliczeniach ekonomicznych przyjęto: cenę gazu ziemnego – 0,03 DM/kWh, cenę sprzedaży ciepła – 0,08 DM/kWh, cenę
sprzedaży energii elektrycznej – 0,16 DM/kWh, stopę dyskonta – 7%, okres eksploatacji ogniwa – 8 lat, elektrociepłowni 10 lat.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Podsumowanie technologii

Podsumowanie technologii

Systemy oparte na ogniwach paliwowych są dopiero rozwijającą się gałęzią energetyki, która jest
nieubłaganie związana z finansami. W związku z czym ogniwa paliwowe jeszcze długo będą
pozostawały w cieniu innych znacznie tańszych metod wytwarzania energii elektrycznej opartych
głównie na spalaniu węgla. Dlatego bardzo ważnym czynnikiem jest tutaj wsparcie organów rządowych
w rozwoju tej technologii, ponieważ systemy oparte na ogniwach paliwowych rzadko znajdują się w
produkcji seryjnej - na ogół jest to manufaktura. Szacuje się, że produkcja w wysokości 200 MW rocznie
pozwoli obniżyć ich cenę o połowę. Innym problemem jest fakt, że jesteśmy przyzwyczajeni do
systemów centralnego wytwarzania energii elektrycznej jakimi są elektrownie różnych typów o dużej
mocy, zamiast wytwarzać tę energię samemu w domowej elektrowni opartej na ogniwie paliwowym
wykorzystującej do tego celu gaz. Dzięki temu uzyskujemy energię elektryczną z większą sprawnością, a
tym samym po niższej cenie. Mechanizm ten poparty rządowymi dotacjami na pewno zdałby egzamin
gdyż jest to bardzo wydajny system zaspokajający większość domowego zapotrzebowania na energię
(prąd, ciepła woda, centralne ogrzewanie). Rozwiązanie to zmniejszyłoby znacznie emisję dwutlenku
węgla oraz tlenków azotu do atmosfery, emitowanych w dużych ilościach przez krajowe elektrownie
oparte na spalaniu węgla kamiennego. Ogniwa paliwowe można również stosować do zasilania urządzeń
przenośnych takich jak laptopy, telefony komórkowe itp. Dla zastosowań tych szczególnie obiecującą
technologią są DMFC dzięki ich prostej budowie i niskiej temperaturze pracy. Technologia ta jest
niezastąpiona w warunkach terenowych gdzie ciężko o źródła prądu, a ogniwa paliwowe umożliwiają
wytworzenie go w cichy sposób przy dużej wydajności i są stosunkowo lekkie (PEMFC, DMFC).

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Ogniwa paliwowe można również stosować do zasilania urządzeń

przenośnych takich jak laptopy, telefony komórkowe itp. Dla

zastosowań tych szczególnie obiecującą technologią są DMFC dzięki

ich prostej budowie i niskiej temperaturze pracy. Technologia ta jest

niezastąpiona w warunkach terenowych gdzie ciężko o źródła prądu, a

ogniwa paliwowe umożliwiają wytworzenie go w cichy sposób przy

dużej wydajności i są stosunkowo lekkie (PEMFC, DMFC).

Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie ogniw paliwowych do

zasilania samochodów dzięki czemu zużywają one mniej paliwa i nie

emitują do atmosfery szkodliwych tlenków azotu. Często w tym

wypadku stosuje się system hybrydowy polegający na podłączeniu

akumulatora do układu zasilania i pobieraniu go w momentach

szczytowego zapotrzebowania, np. przyśpieszanie. Paliwem może być

tutaj metanol, który poddaje się procesowi reformingu, w wyniku

czego uzyskuje się wodór. Dzięki zastosowaniu metanolu możemy

uniezależnić się od złóż ropy naftowej na Bliskim Wschodzie

ponieważ paliwo to można uzyskiwać z biomas. Wodór można

przechowywać w następujący sposób: sprężony w butlach, skroplony,

zaabsorbowany w wodorku metalu, zaabsorbowany w nanorurkach.

Pierwsze dwie metody nie powinny być stosowane ze względów

bezpieczeństwa z uwagi na wybuchowe właściwości wodoru. Może on

być również zaabsorbowany w wodorku metalu co jest znacznie

bezpieczniejszą metodą. Proces ten trwa około 30 minut przy

temperaturze 0

O

C.

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Podsumowanie technologii

Podsumowanie technologii

ROZDZIAŁ VI

Technologia konwersji energii w ogniwach paliwowych

TECHNICAL UNIVERSITY

OF CZĘSTOCHOWA

ENERGY ENGINEERING

LABORATORY

Zaletą przemawiającą za stosowaniem ogniw paliwowych jest ich prosty mechanizm wytwarzania
energii polegający na reakcji elektrochemicznej, przebiegający bez użycia części ruchomych i
mechanizmów pośredniczących w jej przetwarzaniu. Problem stanowi ich żywotność, którą skracają
zanieczyszczenia znajdujące się w paliwie i zatykające pory w elektrodach oraz migrujące do
elektrolitu zwiększając opór stawiany przez niego jonom. Fakt ten ma szczególnie duże znaczenie w
przypadku ogniw wykorzystujących membrany, które są szczególnie wrażliwe na zanieczyszczenia
zatykające znajdujące się w nich pory. Dzięki prowadzonym badaniom obecnie wytwarza się ogniwa
paliwowe mogące pracować nieprzerwanie przez 40 tyś. godzin co odpowiada 5¸7 lat pracy, a
następnie konieczna jest wymiany stosu paliwowego. Doświadczenia wskazują, że największą
niezawodnością wykazują się PAFC oraz PEMFC dlatego w tych typach ogniw paliwowych pokłada
się największe nadzieje na rozwój technologii wykorzystujących ten mechanizm wytwarzania energii.

www.ogniwapaliwowe.republika.pl.

Podsumowanie technologii

Podsumowanie technologii