Ogniwa paliwowe


















 


Domena www.ogniwa-paliwowe.com na sprzedaż! kontakt: [e-mail]
 


.............................................................................................................................................................
Ogniwa paliwowe (fuel cells)
Wstęp
Ogniwa
paliwowe (ogniwa wodorowe) są urządzeniami elektro - chemicznymi,
stanowiącymi przełom w dziedzinie źródeł energii, pozwalają na
uzyskanie energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w
nich reakcji chemicznej.




window.google_render_ad();
Ogniwa
charakteryzują się dużą czystością, sprawnością i gęstością
energetyczną. Technologia ogniw paliwowych jest intensywnie rozwijana w
krajach UE, Japonii, USA. Powstanie infrastruktury wodorowej i
wdrożenie technologii ogniw paliwowych w urządzeniach codziennego
użytku szacuje się na rok 2015.
Komercyjne
produkty wykorzystujące ogniwa paliwowe do generacji energii
elektrycznej i ciepła są dostępne już od dawna. Ogniwa paliwowe
stosowano już w ramach programu kosmicznego Apollo, gdzie
wykorzystywano je do generacji energii elektrycznej i ciepłej wody na
pokładzie statku kosmicznego. Jednak dopiero na przestrzeni kilku
ostatnich lat technologia ogniw paliwowych zaczęła się szybko rozwijać
na rynku konsumenckim. Szybki rozwój ogniw paliwowych spowodowało
zapotrzebowanie na wysokowydajne i czyste źródła energii w dobie szybko
wyczerpujących się źródeł paliw kopalnych.
Wodór
i inne paliwa wysokowodorowe będące paliwem dla ogniw paliwowych można
uzyskiwać wykorzystując alternatywne źródła energii takie jak energia
słoneczna, energia wiatru, oraz ze źródła biologiczne: np. bakterie z
rodzaju clostridium uzyskujące wodór z odpadów biologicznych. Badania
nad pozyskiwaniem wodoru mają na celu uniezależnienie się społeczeństwa
częściowo lub całkowicie od paliw kopalnych.
Obecnie
ogniwa paliwowe stosuje się do budowy baterii dla urządzeń przenośnych,
generatorów małej i dużej mocy, elektrowni stacjonarnych, pojazdów i
wielu innych. Ogniwa paliwowe z powodzeniem zastępują źródła energii
stosowane w innych dziedzinach. Badania i testy prototypów produktów
wykorzystujących ogniwa paliwowe do generacji energii, potwierdzają
wysoką wydajność i jakość opisywanej technologii.







Daimler Chrysler B-Class F-Cell
Fujitsu DMFC Laptop
FuelCell Energy DFC 300

Historia ogniw paliwowych
Zasadę
działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku szwajcarski chemik
Christian Friedrich Sch�nbein. Opublikował ją w styczniowym wydaniu
1839 "Philosophical Magazine" (Magazynu Filozoficznego) i na podstawie
tej pracy walijski naukowiec sir William Grove stworzył pierwsze
działające ogniwo paliwowe. Ogniwa te nie znalazły jednak praktycznego
zastosowania aż do lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy to Stany
Zjednoczone wykorzystały ogniwa z membranami polimerowymi, albo ASC
jako źródło elektryczności i wody w swoim programie kosmicznym. W
ogniwa paliwowe zostały wyposażone takie statki jak np. Gemini 5 czy
seria Apollo, czy stacja kosmiczna Skylab. Dodatkowym atutem ogniw była
produkcja wody pitnej.
Do produkcji
ogniw paliwowych stosowano wówczas niezwykle drogie materiały, a do ich
działania były potrzebne bardzo wysokie temperatury oraz tlen i wodór o
niskim poziomie zanieczyszczenia. Koszt ich wytworzenia sięgał wówczas
100 000 dolarów za kilowat, jednak zdecydowano się na ich użycie, gdyż
wodór i tlen wykorzystywano jako paliwo i dzięki temu na statkach
kosmicznych były dostępne w dużych ilościach.
Dalszy
rozwój technologiczny w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych
(między innymi wykorzystanie membrany polimerowej np. Nafionu jako
elektrolitu oraz zmniejszenie ilości platyny koniecznej do produkcji
ogniw) umożliwił zastosowanie ogniw paliwowych do celów komercyjnych,
m.in. w prototypowych pojazdach. Przez dotychczasowe lata naukowcy
starali się przebić barierę techniczną miniaturyzacji ogniw. W roku
2005 firma Intelligent Energy wyprodukowała pierwszy na świecie
motocykl ENV całkowicie skonstruowany pod kątem zasilania ogniwami
paliwowymi. Udało się pokonać bariery miniaturyzacyjne tworząc ogniwa
polimerowe zasilane metanolem - DMFC, co pozwala na zastosowanie ich w
przenośnym sprzęcie elektronicznym, używanym z dala od źródeł ładowania
akumulatorów, np. w komputerach przenośnych - laptop, czy telefonach
komórkowych.







Grupa badaczy prowadząca projekt budowy 5kW systemu ogniwa paliwowego na bazie kwasu fosforowego, 1965
Silnik General Electric zasilany ogniwami paliwowymi PEM, 1963
Traktor napędzany ogniwami paliwowymi, 1959


Zasada działania ogniw paliwowych
Ogniwa
paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które wytwarzają energię
użyteczną (elektryczność, ciepło) w wyniku reakcji chemicznej wodoru z
tlenem. Produketm ubocznym jest woda.



window.google_render_ad();

Ogniwo
paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody
odseparowane są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub
jako ciało stałe. Elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast
uniemożliwia przepływ elektronów.
Reakcja
chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i
elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na
katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od
anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku
elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny,
woda i ciepło.
Paliwo - wodór w stanie
czystym lub w mieszaninie z innymi gazami - jest doprowadzany w sposób
ciągły do anody, a utleniacz - tlen w stanie czystym lub mieszaninie
(powietrze) - podawany jest w sposób ciągły do katody.

Ogniwo
paliwowe teoretycznie nie ulega ono rozładowaniu. W rzeczywistości
degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają żywotność ogniwa
paliwowego.
Oto jakie reakcje chemiczne zachodzą w ogniwie paliwowym:



na anodzie:



na katodzie:



Następnie jony wodorowe H+ są zobojętnianie zjonizowanym tlenem:
Końcowy produktu to H2O czyli woda w postaci ciekłej lub para.
Zasada
działania ogniwa paliwowego jest doskonale znana, znaczący postęp
dokonuje się obecnie w opracowywaniu materiałów na budowę elektrod,
membran, uszczelnień oraz katalizatorów. Celem badań jest wydłużenie
żywotności i sprawności ogniwa, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów
jego produkcji. Ponadto opracowywane są nowe technologie wytwarzania
elementów ogniw, poprzez zastąpienie obróbki mechanicznej, precyzyjnymi
technologiami natryskowymi. Efekty badań są już widoczne dla odbiorców
końcowych: następuje wydłużanie cyklu życia ogniw paliwowych i
jedncozesny spadek ceny produkowanej energii.
Rodzaje ogniw paliwowych Podział
ogniw paliwowych bazuje na zastosowanym w ogniwie elektrolicie.
Zastosowany elektrolit determinuje temperaturę reakcji zachodzącej w
ogniwie oraz rodzaj paliwa zasilającego ogniwo. Każde z ogniw posiada
zalety i wady, które określają pola zastosowań dla każdego typu ogniw.
PEM (Proton Exchange Membrane lub Polimer Electrolyte Membrane).
Ogniwa paliwowe PEM zasilane są czystym wodorem lub reformatem.
Membraną ogniwa PEM jest materiał polimerowy np. nafion.
Charakterystyczną cechą ogniw PEM jest duża sprawność w produkcji
energii elektrycznej - do 65% oraz mała ilość wydzielanego ciepła.
Niewątpliwą zaletą ogniwa PEM jest dobra nadążność ogniwa w systemach
poddawanych zmiennym obciążeniom oraz krótki czas rozruchu. Cechy te
wynikają z niskiej temperatury reakcji zachodzącej w ogniwie - 60 do
100 stopni Celsjusza.
Ogniwa PEM są stosowane głównie do napędzania pojazdów oraz do budowy stacjonarnych i przenośnych generatorów energii.





System ogniw paliwowych 1.2 kW (Ballard)
Elementy systemu ogniw paliwowych PEM

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Ogniwa
DMFC posiadają polimerową membranę, taką jak ogniwa PEM. Różnica
pomiędzy ogniwem DMFC, a ogniwem PEM tkwi w konstrukcji anody, która w
ogniwie DMFC pozwala na dokonanie wewnętrznego reformingu metanolu i
uzyskanie wodoru do zasilania ogniwa. Ogniwa DMFC eliminują problem
składowania paliwa, są atrakcyjne dla aplikacji przenośnych ze względu
na niską temperaturę zachodzącej reakcji (około 80 stopni Celsjusza).
Ogniwo DMFC charakteryzuje niższa sprawność w porównaniu do ogniwa PEM
i wynosi 40%. Ogniwa DMFC używane są do budowy baterii dla urządzeń
przenośnych i oferują wydajność nieosiągalną dla standardowych baterii
- notebook zasilany 250 ml zbiornikiem metanolu, pracuje przez 12
godzin co jest nieosiągalne dla zwykłych baterii o podobnej
masie/objętości.






System ogniw paliwowych 20 W do komputerów przenośnych
Ogniwa DMFC do telefonów komórkowych

AFC (Alkaline Fuel Cell).
Są to pierwsze ogniwa paliwowe, po raz pierwszy używane w kosmonautyce.
Elektrolitem jest roztwór KOH. Reakcja przebiega w temperaturach od 100
do 250 �C . Temperatura reakcji zależy od stężenia roztworu KOH, wyższe
temperatury reakcji pozwalają na osiągnięcie wyższej sprawności ogniwa
dla generacji energii elektrycznej i ciepła. Ogniwa AFC zastosowane
zostały na promie kosmicznym Apollo do kogeneracji energii elektrycznej
i ciepła. Ogniwa AFC są wrażliwe na wszelkie zanieczyszczenia i
wymagają paliwa o dużej czystości, co stanowi przeszkodę w ich
komercjalizacji.






 
Ogniwo paliwowe AFC użyte w promie kosmicznym

Phosphoric Acid (PAFC).
Ogniwa PAFC są stosowane do budowy systemów kogeneracji energii
elektrycznej i ciepła. Sprawność generacji energii elektrycznej wynosi
40%, dodatkowo para wodna produkowana przez ogniwo, może być zamieniana
na ciepło. Elektrolitem w ogniwie PAFC jest kwas fosforowy (H3PO4).
Zaletą ogniw jest wysoka tolerancja na tlenki węgla co pozwala na
stosowanie wielu paliw (ważne jest jednak odsiarczanie paliwa).




System kogeneracji energii elektrycznej o mocy 200 kW (Onsi), wykorzystuący ogniwa PAFC

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). Elektrolitem
w ogniwach MCFC jest stopiony węglan Li/K. Ogniwa MCFC pracują w
wysokich temperaturach i używane są do produkcji elektrowni małej i
średniej mocy. Wysoka temperatura reakcji zachodzącej w ogniwie pozwala
na stosowanie szerokiego wachlarza paliw (gaz ziemny, benzyna, wodór,
propan).





System ogniw paliwowych MCFC o mocy 280 kW


Solid Oxide (SOFCs). Ogniwa
SOFC posiadają membranę wykonaną z ceramiki tlenkowej. Pracują w
wysokich temperaturach od 650 do 1000 stopni Celsjusza . Rezultatem
wysokiej temperatury reakcji przebiegającej w ogniwie SOFC jest wysoka
sprawność w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła - nawet
85%. Powyższe cechy wraz z długim czasem osiągnięcia pełnej sprawności
powodują, że SOFC jest stosowane w stacjonarnych systemach CHP
(cogeneration heat and power). Ogniwa SOFC charakteryzują się wysoką
tolerancją na zanieczyszczenia paliwa (tlenki węgla i siarki), co
pozwala na stosowanie szerokiego wachlarza paliw.






SOFC rurowy
SOFC płaski

Najczęściej
stosowane w przemyśle ogniwa paliwowe to ogniwa typu PEM/DMFC i SOFC.
Popularność tych ogniw spowodowana jest ich wysoką sprawnością oraz
membraną zbudowaną z materiałów stałych - brak części ruchomych w
ogniwie jest dużą zaletą w zastosowaniach przemysłowych.
Ogniwa
typu SOFC charakteryzuje wysoka temperatura reakcji i wolna nadążność
dla zmiany obciążeń. Z tego względu ogniwa SOFC stosuje się w budowie
stacjonarnych generatorów energii elektrycznej i ciepła, pracujących w
sposób ciągły z jednakowym obciążeniem.
Z
kolei ogniwa PEM i DMFC charakteryzują się niską temperaturą reakcji i
stosowane są do budowy zarówno małych jak i dużych źródeł energii.
Różnica pomiędzy ogniwem PEM i DMFC to rodzaj stosowanego paliwa.
Ogniwo DMFC jest zasilane metanolem. Metanol jest paliwem łatwym w
składowaniu, co w połączeniu z niską temperaturą reakcji czyni ogniwo
DMFC idealnym do zastosowań jako bateria małej mocy.
Ogniwo
typu PEM charakteryzuje wyższa sprawność (40% - DMFC, 65% - PEM).
Paliwem dla ogniwa PEM jest wodór lub reformat. W przypadku stosowania
reformatu, układ należy wyposażyć w tzw. procesor paliwowy,
wytwarzający wodór z zastosowanego paliwa. Podnosi to koszt układu,
jednak w wielu przypadkach jest to opłacalne np. w stacjonarnych
jednostkach generacji energii gdzie jest łatwy dostęp do gazu ziemnego.

Ogniwa PEM/DMFC i SOFC, są już obecne na
rynku konsumenckim, można je zakupić jako samodzielne urządzenia (fuel
cell stack), jak i w gotowych urządzeniach.


Zestawienie cech ogniw paliwowych


Typ ogniwa
Elektrolit
Temperatura pracy [stopnie Celsjusza]
Sprawność (generacja energi elektrycznej / kogeneracja)
Zastosowania
Paliwo


PEM (Proton Exchange Membrane)
Polimer w stanie stałym
75
35- 60 %
- urządzenia UPS
- baterie przenośne
- elektrownie małej mocy i generatory energii i ciepła
- przemysł motoryzacyjny, zastosowania mobilne
Wodór


AFC (Alkaline Fuel Cell)
Roztwór KOH
Poniżej 80
50 - 70 %
- militarne
- kosmonautyka
Wodór


DMFC (Direct Metanol Fuel Cell)
Polimer w stanie stałym
75
35 - 40 %
- urządzenia przenośne
- baterie
Metanol
Roztwór metanolu i wody



PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
Kwas fosforowy
210

35 - 50 %
- generatory stacjonarne
Wodór


MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
Stopiony węglan Li/K
650
40 - 50 %
- Duże elektrownie i generatory
- urządzenia CHP (Combined Heat & Power)
Wodór, metanol, metan, biogaz, gaz LPG i inne
Gazy hydrokarbonowe
Reforming wewnętrzny


SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
Ceramika tlenkowa
650 - 1000
45 - 60 % / 85%
- Duże elektrownie i generatory
- urządzenia CHP (Combined Heat & Power)
Wodór, metanol, metan, biogaz, gaz LPG i inne
Gazy hydrokarbonowe
Reforming wewnętrzny

Zalety ogniw paliwowych
wysoka jakość dostarczanej energii.
Energia dostarczana przez ogniwa paliwowe jest bardzo odporna na
zakłócenia. Ogniwa paliwowe są idealnym źródłem zasilania dla urządzeń
medycznych, aparatury pomiarowej, komputerów itp.
wysoka sprawność. Ogniwa
paliwowe charakteryzują się wysoką gęstością energetyczną. Ogniwo
paliwowe jest zawsze mniejsze i lżejsze od innych źródeł energii o
porównywalnej mocy. Ponadto ogniwa paliwowe generują energię
bezpośrednio z reakcji chemicznej, nie zachodzi więc proces spalania
paliwa. W zastosowaniach mobilnych ogniwa paliwowe wytwarzają energię
służącą bezpośrednio do napędu, w przeciwieństwie do silników
spalinowych gdzie wytwarzana jest energia mechaniczna przekształcana
przez przekładnie mechaniczne do energii napędowej. Sprawność ogniw
paliwowych w generowaniu energii elektrycznej osiąga nawet 50%. W
procesie kogeneracji, produkcji energii elektrycznej i ciepła, ogniwa
paliwowe osiągają sprawność nawet 85%.
możliwość stosowania różnych rodzajów paliw. Ogniwa
paliwowe mogą być zasilane każdym paliwem bogatym w wodór. Uzyskiwanie
wodoru z paliwa może przebiegać wewnątrz ogniwa paliwowego, tzw.
wewnętrzny reforming lub poza ogniwem w zewnętrznym urządzeniu zwanym:
fuel reformer. Dzięki zjawisku elektrolizy, wodór dla ogniwa paliwowego
można wytwarzać korzystając ze źródeł energii alternatywnej.
ochrona środowiska. Zanieczyszczenia
wynikające z produkcji energii "konwencjonalnymi" metodami są powodem
degradacji środowiska naturalnego i powodem pojawiania się nowych
chorób cywilizacyjnych. Ogniwo paliwowe produkuje 25 razy mniej
zanieczyszczeń w porównaniu z generatorami spalinowymi. W przypadku
zasilania ogniwa paliwowego wodorem, ilość produkowanych zanieczyszczeń
jest śladowa.
skalowalność.
Pojedyncze ogniwa paliwowe można łączyć ze sobą w celu osiągnięcia
pożądanego poziomu generowanej mocy. Zespoły ogniw paliwowych o różnych
kształtach stosuje się zarówno do zasilania pojedynczej żarówki jak i
do napędzania maszyn przemysłowych.







50 kW mobilny system ogniw paliwowych PEM do zastosowań w środkach transportu
Milli-Watt System Fuel do napędzania miniaturowych urządzeń opracowany w Pacific Northwest National Laboratory
PDA na ogniwa paliwowe firmy Hitachi


Wpływ na środowisko
Wpływ
ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody
uzyskiwania stosowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być
używane jako pierwotne źródło energii, lecz konieczne jest wytwarzanie
stosowanego w nich wodoru. Chociaż wytwarzanie wodoru w procesie
elektrolizy ma dość dużą sprawność, to w połączeniu z tym, że przy
stosowaniu w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod
dużymi ciśnieniami to całkowita sprawność ogniw może spaść poniżej
poziomu najwydajniejszych z silników spalinowych.
Inną
metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu w procesie
reformingu parowego, który ma sprawność około 80%. Produktem ubocznym
tego procesu jest dwutlenek węgla, jednak szkodliwość dla środowiska
jest ograniczona, gdyż w przeciwieństwie do silników spalinowych
dwutlenek węgla nie jest emitowany do atmosfery przez każdy pojazd,
lecz powstaje w miejscu wytwarzania wodoru, dzięki czemu można go
wykorzystać.
Wpływ stosowania kopalnianych
źródeł energii (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny itp.) na
zanieczyszczenie środowiska stawia ogniwa paliwowe w doskonałej pozycji
jako alterntywne źródło zasilania, obojętne lub prawie obojętne dla
środowiska naturalnego.
Zastosowanie ogniw paliwowych
Urządzenia przenośne, baterie małej mocy.
Ogniwa paliwowe są coraz częściej postrzegane jako substytut
konwencjonalnych baterii i akumulatorów stosowanych w przemyśle
niewielkich urządzeń elektronicznych (laptopy, aparaty, telefony
komórkowe, odtwarzacze MP3 itd.)
Dla
producentów ogniw paliwowych jest ogromny rynek zbytu. Praktycznie
wszystkie liczące się firmy produkujące urządzenia przenośne są
zaangażowane w badania nad ogniwami paliwowymi.
Zastosowanie
ogniw paliwowych w przenośnych urządzeniach elektronicznych pozwala na
oddzielenie przetwarzacza energii od zbiornika paliwa w systemie ogniwa
paliwowego, dzięki czemu zyskuje się większą swobodę w fazie
projektowej. Ogniwa paliwowe mają także wyższą teoretyczną gęstość
energii w porównaniu do konwencjonalnych baterii i w przeciwieństwie do
długiego czasu ładowania baterii, wystarczy napełnić ogniwo paliwem,
aby działało, co wymaga tylko minimalny nakład czasu.
Ogniwa PEMFC i DMFC ze względu na swoje własności dotyczące niskiej temperatury pracy są stosowane do tego typu rozwiązań.
Segment
urządzeń przenośnych poprzez swój dynamiczny rozwój zmusza do szukania
nowych źródeł energii potrzebnej do zasilania urządzeń mających coraz
większe wymagania energetyczne (większe wyświetlacze, nowe funkcje
itp.).
Istnieje jednak jeszcze sporo
problemów, głównie natury technicznej, opóźniających globalną
komercjalizację ogniw paliwowych w sektorze przenośnych urządzeń
elektronicznych.







Toshiba
Antig Technology i AVC Corp
MTI MicroFuel Cells

Systemy stacjonarne - generatory energii elektrycznej i ciepła CHP, elektrownie małej mocy.
Systemy stacjonarne to zarówno małe domowe jednostki produkujące prąd i
ciepło (systemy CHP) lub pomocnicze źródła prądu o mocach rzędu
kilowatów, jak i duże elektrownie o mocy kilku megawatów.
Urządzenia
takie są stosowane w miejscach, gdzie dostępność energii elektrycznej
jest kwestią kluczową, a więc w szpitalach, bazach wojskowych,
budynkach biurowych czy przemyśle. Stacjonarne systemy ogniw paliwowych
znajdują zastosowanie jako dodatkowe instalacje generujące prąd, który
jest oddawany do energetycznej sieci rozsyłowej, jako systemy awaryjne
w szpitalach i innych budynkach, czy do zastosowań wymagających dużej
niezawodności.
Ogniwa paliwowe są znakomicie
skalowalne i pozwalają na budowę elektrowni małej mocy, rzędu kilku MW.
Pierwsze elektrownie produkują energię elektryczną dla komisariatów
policji w Nowym Jorku, Central Parku i wielu innych miejsc.
Zaawansowane
prace prowadzone są nad wdrożeniem generatorów energii CHP (ang.
Combined Heat and Power), wykorzystujących zestaw ogniw paliwowych do
generacji energii elektrycznej i ciepła.
Generatory
o mocy 1-10 kW są w stanie zaopatrzyć w energię elektryczną i ciepło
domy mieszkalne, biura, budynki użyteczności publicznej. Generatory
oparte o technologię ogniw paliwowych dostarczają energię elektryczną o
precyzyjnych parametrach, nie posiadają ruchomych elementów i są w
stanie zapewnić dostęp do energii dłużej niż stosowane obecnie
generatory energii.
Generatory z systemem
ogniw paliwowych są zasilane wodorem lub związkami wodorowęglowymi.
Technologia ta jest bardzo cicha, wydajna i produkująca minimalne
ilości zanieczyszczeń.
W chwili obecnej technologia ta wymaga dalszego rozwoju i badań nad nią, ze względu na niedostateczną wartość osiąganej mocy.






System firmy Ballard
Generator CHP firmy CFC Ltd. wraz z reformatorem.







Generator energii firmy Nuvera wraz z reformatorem paliwa i przykład jego zastosowania


Środki transportu, komunikacja.
Obecnie niemal każda liczaca się na rynku firma motoryzacyjna prowadzi
zaawansowane testy pojazdu napędzanego ogniwami paliwowymi. Obecnie
opłacalność pojazdu FCV (Fuel Cell Vehicle), dorównuje współczesnym
hybrydom. Wraz z upowszechnieniem się technologii ogniw paliwowych,
pojazdy FCV staną się z pewnością bardzo popularne. Zalety
ogniw paliwowych jako napędu środków transportu to: wysoka sprawność
(65% dla ogniwa paliwowego w porównaniu z 35% dla silnika spalinowego),
brak wibracji i hałasu towarzyszącego wytwarzaniu energii, produkcja
energii bezpośrednio napędzającej silniki elektryczne, brak spalania
paliwa w czasie postoju, stałość momentu obrotowego i wiele innych.
Według
zapowiedzi producentów, pierwsze FCV trafią do seryjnej produkcji
jeszcze przed rokiem 2015. Obecnie głównym problemem w komercjalizacji
samochodów FCV jest ich wysoka cena.
Technologie
ogniw paliwowych objęły także pozostałe segmenty środków transportu,
jednak nie jest to tak zauważalne, jak w przypadku samochodów. Istnieją
już bezzałogowe samoloty zasilane ogniwami paliwowymi, motory, a nawet
wózki inwalidzkie czerpiące energię z wykorzystaniem tej technologii.















Honda FCX napędzany wodorem (wersja koncepcyjna) - kliknij aby powiększyć









Hyundai Tucson FCEV napędzany wodorem - kliknij aby powiększyć


Robotyka i roboty.
Robotyka jest dziedziną w której wydajne źródło energii jest sprawą
ważną, zwłaszcza dla robotów mobilnych, zasilanych niezależnym źródłem
energii. Parametry takie jak waga/objętość, sprawność, jakość
dostarczanej energii mają znaczny wpływ na konstrukcję robotów i na
parametry pracy robota. Ogniwa paliwowe zapewniają pewne źródło
energii, zdolne do zasilania układów elektrycznych stosowanych w
robotyce. Jednocześnie masa systemu zasilania, opartego na technologii
ogniw paliwowych jest relatywnie mała w stosunku do ilości wytwarzanej
energii. Ze względu na wymienione zalety, ogniwa paliwowe szybko
znalazły zastosowanie jako źródło napędu w robotyce.







Speecys-FC jest pierwszym na świecie robotem zasilanym ogniwami paliwowymi
Robot od Toshiby zasilany jest ogniwami typu DMFC
Robot Guardrobo D1 dzięki ogniwom paliwowym może pracować non stop przez tydzień

Organizacje i stowarzyszenia



Asociacion Espanola del Hidrogeno




Association Hydropole - Swiss Hydrogen Association



Australian Institute of Energy - Hydrogen Division
 



Canadian Hydrogen Association



European Hydrogen Association
 



French Hydrogen Association



Fuel Cell Development Information Center (Japan)
 



Fuel Cells Canada



German Hydrogen and Fuel Cell Association




International Association for Hydrogen Energy (IAHE)



Italian Hydrogen and Fuel Cell Association




National Hydrogen Association (NHA)



PATH Partnership for Advancing the Transition to Hydrogen



Polskie Stowarzyszenie Wodoru i Ogniw Paliwowych
















 
 
 


Producenci



3M

USA




Astris Energi

Kanada




Ballard Power Systems

Kanada




Ceramic Fuel Cells Limited

Australia




Delphi

USA




Electrochem

USA




Fuel Cell Technologies

Kanada




H2 ECOnomy

USA




H2 Industrial

Dania




Helion Fuel Cells

Francja




Hoku Scientific

USA




HTceramix

Szwajcaria




Hydrogenics

Belgia




IdaTech

USA




MTI Micro

USA




MTU

Niemcy




Nuvera Fuel Cells

USA




Plug Power

USA




Protonex

USA




RWE

Niemcy




SFC Smart Fuel Cell

Niemcy




UltraCell

USA




ZTEK

USA



 
 



 


Wodór
Charakterystyka.
Wodór jest bezbarwnym i bezwonny gazem o gęstości zaledwie 0,0899
kg/m3. Czyni go to najlżejszym pierwiastkiem występującym we
Wszechświecie.






Wizualizacja wodoru



Wodór
to najprostszy pierwiastek w układzie okresowym pierwiastków. Posiada
jeden proton i jeden elektron, jest podstawowym pierwiastkiem w szeregu
aktywności metali. Wodór występuje w postaci trzech izotopów: prot
(1H), deuter (2H), tryt (3H, izotop niestabilny). Ze względu na różnicę
masy pomiędzy izotopami stabilnymi, różnią się one znacznie
właściwościami.
Wodór jest najpowszechniej
występującym pierwiastkiem na ziemi, jednak nie występuje naturalnie w
czystej postaci. Na Ziemi występuje głównie w postaci wody H2O.
 
Wodór
jako gaz jest bardzo łatwo palny - zapłon może wystąpić w połączeniu z
powietrzem (tlenem) nawet gdy stężenie wodoru wynosi zaldwei 4%.
Reakcja chemiczna jaka zachodzi podczas spalania wodoru jest
następująca:

W
wyniku reakcji chemicznej łączenia wodoru z tlenem powstaje woda i
znaczne ilości energii. Przy odpowiednich proporcjach składników tlen -
wodór następuje eksplozja.


Własności fizyczne wodoru


Stan skupienia
gazowy


Gęstość
0,0899 kg/m3


Barwa
bezbarwny


Zapach
bez zapachu


Temperatura topnienia
-259,13 st. Celsjusza


Temperatura wrzenia
-252,88 st. Celsjusza


Temperatura krytyczna
-239,9 st. Celsjusza


Ciśnienie krytyczne
1,3 MPa


Ciepło parowania
0,44936 kJ/mol


Ciepło topnienia
0,05868 kJ/mol


Ciśnienie pary nasyconej
209 Pa (23 K)


Prędkość dźwięku
1270 m/s (298,15 K)


Bezpieczeństwo.
Wodór postrzegany jest jako paliwo niebezpieczne, co jednak nie
znajduje potwierdzenia w praktyce. Jako najlżejszy pierwiastek, wodór
ulatnia się bardzo łatwo i nie gromadzi się w miejscu. Ponadto wodór
spala się poza zbiornikiem w postaci wąskiego słupa ognia. Poniższe
zdjęcia obrazują zapłon wodoru i benzyny w pojazdach.




Zapłon wodoru (po lewej) i benzyny (po prawej) w samochodach


Wodór w zasilaniu ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe zasilane są związkami węglowodorowymi, a bezpośrednio
wodorem stanowiącym nośnik energii. Wodór stwarza szanse na produkcję
prawdziwie czystej energii, jednak tylko lokalnie. Wodór wytwarzany
jest w trakcie procesów przemysłowych - głównie reformingu. Sprawność
reformingu przemysłowego szacuje się na 70%, tak więc na dzień
dzisiejszy należy zużyć więcej energii niż można uzyskać z
wyprodukowanego wodoru. Aby uzyskać prawdziwie czystą energię, należy
produkować wodór wykorzystując naturalne źródła energii do
przeprowadzenia elektrolizy lub opracować metody biologiczne produkcji
wodoru. Należy jednak dodać, iż wodór jest tak naprawdę tylko gazem
ubocznym produkowanym w procesie reformingu - produktem celowym jest
zwykle benzyna.
Poszczególne
typy ogniw determinują rodzaj paliwa, obecnie dostępne konstrukcje
precyzują także wilgotność paliwa, optymalną temperaturę i ciśnienie.
Do bezpośredniego zasilania ogniw paliwowych stosuje się czysty wodór
lub reformat. Ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe typu SOFC lub MCFC
mogą być zasilane bezpośrednio gazem ziemnym, biogazem, a nawet
benzyną. Reformat jest to gaz zawierający w sobie dużą ilość wodoru,
typowy skład reformatu to: 80% wodoru H2, 19% dwutlenku węgla CO2,
śladowe ilości metanu CH4 i zawartość tlenku węgla CO nie większa niż
15ppm). Stosowanie reformatu w porównaniu z wodorem ma swoje wady i
zalety:


reformat
zawiera związki węgla (może zawierać także szkodliwe związki azotu i
siarki), co wpływa na skrócenie czasu życia ogniwa paliwowego
czysty wodór pozwala na osiągnięcie wyższych mocy przez ogniwo paliwowe
reformat należy wyprodukować w systemie lub poza systemem
w przypadku produkcji reformatu/przeprowadzania reakcji reformingu w systemie, unika się problemu składowania wodoru.







Hydrogenerator


Otrzymywanie wodoru.
Wodór jest produkowany w laboratoriach chemicznych i biologicznych,
często jako produkt uboczny innych reakcji, w przemyśle w
hydrogeneratorach i w naturze jako produkt zachodzących reakcji
biochemicznych.

Produkcja laboratoryjna
W laboratoriach wodór najczęściej jest wytwarzany w wyniku reakcji metali (np. cynku lub aluminium) z kwasami, według reakcji:

Inną
metodą otrzymywania wody jest elektroliza wody. Metoda ta pomimo swojej
prostoty nie jest jednak powszechna ze względu na stosunkowo duże
koszty. W reakcjach takich katoda jest zazwyczaj z platyny.





Elektroliza wody



Produkcja przemysłowa
Wodór
w warunkach przemysłowych może być otrzymywany różnymi metodami, jednak
z ekonomicznego punktu widzenia najważniejszym sposobem jest usuwanie
wodoru z węglowodorów.
Duże ilości wodoru są
zazwyczaj wytwarzane w wyniku tzw. reakcji reformingu gazów
naturalnych. W wysokich temperaturach rzędu 700 - 1100 stopni Celsjusza
para wodna reaguje z metanem. W wyniku tej reakcji powstaje tlenek
węgla i wodór:

Reakcja
zachodzi przy niewielkich ciśnieniach, jednak coraz częściej
przeprowadza się ją pod wysokim ciśnieniem (20 atm), ze względu na
coraz częstszą sprzedaż wodoru w zbiornikach wysokociśnieniowych.
Mieszanka gazów powstająca podczas reakcji chemicznej jest nazywana
gazem syntezowym, ponieważ używa się jej bezpośrednio do produkcji
metanolu i innych związków chemicznych. Węglowodory inne niż metan mogą
być użyte do produkcji gazu syntezowego, wówczas produkty wytwarzane
podczas reakcji występują w różnych proporcjach.
Jednym
z problemów optymalizacji technologicznego procesu produkcji wodoru
występujących podczas reakcji reformingu jest powstawanie węgla lub
koksu w wyniku rozkładu węglowodorów:

Również podczas reformingu parowego może się pojawić nadmiar wody z pary wodnej.
Dodatkowe
ilości wodoru można uzyskać z reformingu parowego poprzez reakcję
powstałego tlenku wodoru z wodą, w obecności katalizatora (np. tlenków
żelaza):

Inną ważną metodą produkcji wodoru jest częściowa oksydacja (utlenianie) węglowodorów:

oraz reakcja chemiczna czystego węgla z wodą, która także może posłużyć jako reakcja początkowa do utleniania węglowodorów:






Produkcja wodoru na skalę przemysłową



Produkcja biologiczna
Wodór
jest efektem metabolizmu żywych organizmów. Reakcje zachodzące w żywych
organizmach w wyniku których produkowany jest wodór zachodzą dzięki
katalizatorom, którymi są tzw. hydrogenazy - enzymy zawierające w
swoich cząsteczkach żelazo lub nikiel. Trwają prace nad wykorzystaniem
źródeł energii naturalnej do wytwarzania wodoru na skalę przemysłową.
Przechowywanie wodoru.
Ważnym elementem systemów ogniw paliwowych jest przechowywanie wodoru.
Wodór przechowywać można w postaci ciekłej, sprężonego gazu lub
wodorków metali. Barierą dla przechowywania wodoru w postaci ciekłej
jest wymagana temperatura 20K ( -273 stopni Cesjusza ).
Magazynowanie
wodoru w postaci wodorków metali polega na adsorbowaniu wodoru przez
stopy niklu (LaNi5) i chromu (ZrCr2), odzyskiwanie wodoru polega na
doprowadzeniu temperatury do stopu. Metoda ta jest jednak mało wydajna
w obecnej chwili - jedynie 5% masy zbiornika stanowi wodór.
Najpowszechniejszym
i najczęściej stosowanym sposobem przechowywania wodoru jest
przechowywanie w zbiornikach pod ciśnieniem nawet 1000 barów.



Butle z wodorem od firmy Palcan


Materiały do ściągnięcia


Podsumowanie targów H2 Expo 2006 w Hamburgu


źródło: inf. własna


Fuell cells glossary (PDF, 112 kB)


źródło: US Fuel Cell Council


Fuel specification for fuel cells (PDF 309 kB)


źródło: ECN Fuel Cell Technology


Stationary Fuel Cell Market Opportunities, Strategies, and Forecasts, 2006 to 2012 (PDF 11 kB)


źródło: Mindbranch


How Small Can Fuel Cells Go? (PDF 40,8 kB)


źródło: QinetiQ


Ciekawe artykuły

Telefony i aparaty "napiją" się alkoholu (Wirtualna Polska)
Honda FCX Clarity - Co nam pisane? (Gazeta Wyborcza)



kontakt:
[e-mail]








Link reklamowy: materiały inteligentne

www.ogniwa-paliwowe.com l www.ogniwa-paliwowe.pl










window.google_render_ad();