Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które zamienia energię chemiczną paliw (przykłady: wodór, metan, butan, metanol) na energię elektryczną i ciepło.
Wodór i inne paliwa wysokowodorowe będące paliwem dla ogniw paliwowych można uzyskiwać wykorzystując alternatywne źródła energii takie jak energia słoneczna, energia wiatru oraz ze źródeł biologicznych.
Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza. Pozwala to na uniknięcie emisji szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, siarki, węglowodorów oraz tlenków węgla.
Cechą wyróżniającą ogniwa paliwowe jest to, że substancje elektroaktywne (paliwo i utleniacz) uczestniczące w reakcjach elektrodowych, dostarczane są z zewnątrz ogniwa. W tradycyjnych ogniwach jednorazowych, substancje te znajdują się wewnątrz urządzenia, więc po ich wyczerpaniu do ogniwa nie da się ponownie ich dostarczyć. Z kolei ogniwo paliwowe teoretycznie powinno działać tak długo, jak długo dostarczamy do niego paliwo i utleniacz z zewnątrz. W rzeczywistości degradacja(głównie korozja) albo uszkodzenie poszczególnych komponentów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.
Ogniwa paliwowe składają się z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie.
Ogniwo PEM(wodorowo-tlenowe) - zasada działania
Ogniwo to pracuje w zakresie temperatur 60-100°C – dzięki niskiej temperaturze pracy mamy do czynienia z szybkim rozruchem i dobrą nadążnością ogniwa w systemach poddawanym zmiennym obciążeniem
Jest zbudowane z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody są oddzielone przez elektrolit, który jest specjalną barierą przepuszczającą tylko jony dodatnie wodoru. W ogniwach PEM wykorzystywanym paliwem jest wodór, natomiast utleniaczem jest tlen dostarczany do urządzenia w czystej postaci lub wraz z powietrzem atmosferycznym.
Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesowi towarzyszy przepływ elektronów od anody do katody przez obwód zewnętrzny- powstaje prąd elektryczny, który pozwala na zasilanie urządzeń.
W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło.
Reakcje chemiczne zachodzące w ogniwie paliwowym (PEM):
1. Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie ulega utlenieniu (oddaje elektrony, e−), w wyniku czego powstają kationy wodorowe (protony), H+:
2H2 → 4H+ + 4e−
2. Na katodzie tlen reaguje z elektronami, redukując się do O2−:
O2 + 4e− → 2O2− ∖ n