Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które przekształcają energię paliwa bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło.

Rok 2006. Obcowanie z przyrodą niezmierzonych lasów przerywa sygnał telefonu komórkowego. Ledwo mogę go odszukać w namiocie. No cóż, jak nie wyłączysz, to przez półtora miesiąca bez doładowywania może zakłócać spokój. Jest zasilany ogniwem paliwowym. Szef. Trzeba wracać do instytutu. Pakuję ubrania i przenośny komputer. Ten też jeszcze ze dwa tygodnie pochodzi, zanim wymienię zbiornik z paliwem. Jest zasilany ogniwem paliwowym. Przedzieram się przez gąszcza i wsiadam do samochodu terenowego. Wciskam start i ruszam prawie bezszelestnie po leśnej drodze. Od czasu do czasu słychać tylko chrzęst łamanej pod oponą suchej gałęzi. Z rury wydechowej od czasu do czasu spadnie kropla wody. Auto jest napędzane baterią ogniw paliwowych. Leśne powietrze w stu procentach zachowuje swoją świeżość. Biorę głęboki wdech. Chwila refleksji. Gdybym pięć lat temu, w roku 2001 coś takiego przeczytał, uważałbym to za czystą fikcję.

Fikcja czy rzeczywistość? Uważam że jest dziewięćdziesiąt procent szans, że za pięć lat taki zapis będzie mógł się znaleźć w notatniku botanika badającego florę Puszczy Białowieskiej czy bieszczadzkich lasów.

Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które przekształcają energię paliwa bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło. Są więc jak gdyby klasycznymi bateriami, w których jednak w sposób ciągły jest dostarczane paliwo do anody (elektrody ujemnej) oraz utleniacz (najczęściej powietrze) do katody (elektrody dodatniej). Paliwem może być bezpośrednio wodór lub też związek zawierający duże ilości tego pierwiastka - gaz ziemny, metanol, samogon...

Wyzwania stojące przed energetyką

Wyzwania stojące przed energetyką są znane. Zwróćmy tutaj uwagę na kurczące się zasoby paliw kopalnych, dążenia do zwiększenia sprawności urządzeń generujących energię elektryczną i cieplną, duże straty przesyłu energii i zanieczyszczenie środowiska. Przynajmniej część z tych problemów i co najmniej częściowo rozwiązuje energetyka jądrowa. Jednak i tutaj lista problemów jest chyba jeszcze dłuższa. Specyfika i zagrożenia towarzyszące elektrowniom atomowych wzbudzają gwałtowne protesty organizacji ekologicznych i społeczeństw. W ostatnich tygodniach po ataku na Stany Zjednoczone ze zwielokrotnioną siłą ujawniły się niebezpieczeństwa akcji terrorystycznych. Twierdzę, że powyższe problemy prawie całkowicie zlikwiduje energetyka oparta na ogniwach paliwowych.

Paliwa kopalne. Paliwo stanowi czysty wodór lub substancja będąca jego bogatym nośnikiem, np. gaz ziemny czy pochodne ropy naftowej. Pozornie pozostajemy więc w kręgu paliw kopalnych. Nie zapominajmy jednak, że ogniwa mogą pracować używając alkoholu! W ten sposób rozwiązujemy problem ograniczonych zasobów paliw kopalnych. Co więcej, w przypadku takiego kraju jak Polska, pojawia się możliwość uniezależnienia się od zewnętrznych dostawców ropy naftowej i gazu, rozwoju produkcji rolnej, zmniejszenia bezrobocia i deficytu handlu zagranicznego...

Straty związane z przesyłem. Ze względu na możliwość lokalizacji urządzeń produkujących energię w miejscach jej bezpośredniego odbioru praktycznie zostają wyeliminowane straty związane z przesyłem energii elektrycznej i cieplnej.

Zanieczyszczenie środowiska. W przypadku zasilania ogniwa czystym wodorem jedynymi produktami ubocznymi w procesie wytwarzania energii elektrycznej jest... woda i ciepło. Wykorzystanie paliw bardziej złożonych skutkuje emisją dodatkowych spalin, jednakże w porównaniu z urządzeniami konwencjonalnymi, szczególnie silnikami wewnętrznego spalania używanymi powszechnie w samochodach, poziom emitowanych zanieczyszczeń pozostaje na poziomie nieosiągalnym dla tamtych technologii.

Terroryzm. Ogniwa pozwolą realizować model energetyki rozproszonej, tj. produkcji energii elektrycznej i cieplnej bezpośrednio lub w bliskim sąsiedztwie miejsca zapotrzebowania. Tym samym znikną dla terrorystów cele w postaci gigantycznych instalacji elektrowni konwencjonalnych czy atomowych.

Niezawodność. Przypomnijmy sobie, jak jest zbudowane ogniwo paliwowe. Podstawowymi elementami składowymi są: zbiornik na paliwo, anoda, membrana z katalizatorem i katoda. Żadnych tłoków, kręcących się kół, warczących zębatek, świszczących wirników. Nie ma się co psuć... Dlatego już dzisiaj instalacje oparte na ogniwach paliwowych są instalowane w miejscach, gdzie najwyższe parametry jakości energii elektrycznej i niezawodność jej dostaw są priorytetowe, a więc np. w wielkich centrach obliczeniowych.

Historia

Zasadę działania ogniwa paliwowego odkrył w 1839 roku Anglik William Grove. Stwierdził, że proces elektrolizy wody, w wyniku którego uzyskuje się z wody wodór i tlen jest procesem odwracalnym. Elektrolityczne rozdzielenie wody na tlen i wodór wymaga dostarczenia dużej ilości energii, więc w procesie odwrotnym można ją wytwarzać. W sierpniu 1848 roku Niemiec Moritz Hermann Jacobi zademonstrował na jeziorze w Penllergaer w pobliżu Swansea (Walia) napędzaną ogniwami łódź elektryczną. Ponieważ jako katalizator reakcji używana była (i jest nadal stosowana) bardzo droga platyna, oraz ze względu na szereg trudności technicznych, ogniwa paliwowe nie znalazły zastosowania na szerszą skalę. Bynajmniej nie oznacza to, że są one tylko ciekawostką laboratoryjną. Z sukcesem zastosowano je m.in. w misji Apollo, a więc czynnie uczestniczyły w podboju kosmosu. W ciągu ostatniej dekady następuje ich szybki "powrót na Ziemię". W latach '90 XX wieku na całym świecie znalazły setki komercyjnych i testowych zastosowań. Obecnie intensywne prace nad masowym zastosowaniem prowadzone są przez wszystkie światowe koncerny motoryzacyjne, przedsiębiorstwa energetyczne, a także przez producentów sprzętu przenośnego, np. telefonów komórkowych. Silne zaangażowanie producentów urządzeń finalnych w proces komercjalizacji ogniw paliwowych sugeruje, że era czystej energii elektrycznej zaczyna się już dzisiaj...

Rodzaje ogniw paliwowych

Rozwijane są różne typy ogniw paliwowych. Generalnie są one klasyfikowane ze względu na rodzaj używanego elektrolitu, ponieważ determinuje on temperaturę działania układu oraz rodzaj paliwa, które może być wykorzystane.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (Alkaline Fuel Cells)

Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku sodu lub potasu. Jako paliwo jest na ogół wykorzystywany gazowy wodór, natomiast utleniaczem jest czysty tlen lub też tlen zawarty w powietrzu. Temperatura pracy układu zazwyczaj wynosi poniżej 100 st. Celsjusza. Elektrody są wykonane z węgla oraz z metalu, np. niklu. Produktem reakcji jest woda, która musi być usuwana z systemu w procesie parowania. Znaczącym, praktycznym problemem jest atakowanie przez gorący, alkaliczny elektrolit polimerów, z których wykonane są membrany. Tego typu urządzenia są w praktyce wykorzystywane, np. na amerykańskich statkach kosmicznych. Ich wydajność sięga od 30 do 80 procent i zależy od rodzaju wykorzystywanego paliwa i utleniacza.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (Phosphoric Acid Fuel Cells)

Elektrolit zawierający kwas ortofosforowy pozwala na pracę w temperaturze do 200 st. C. Jako paliwo jest wykorzystywany wodór, który może być zanieczyszczony dwutlenkiem węgla. Utleniaczem jest tlen lub powietrze. Elektrody są utworzone z węgla i ułożone w specjalny, szeregowy układ, którego "rusztowanie" jest wykonane z grafitu. Istotne problemu konstrukcyjne w zakresie przyłączenia urządzeń towarzyszących (wtyczki, czujniki, pompy) powoduje wysoka temperatura pracy oraz agresywny elektrolit. Wydajność wytwarzania energii elektrycznej wynosi ok. 40 proc., a jeśli para wodna zostanie wykorzystana do wytwarzania prądu w kogeneracji - aż 85 proc. Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym są obecnie dostępne na rynku komercyjnym, na świecie zainstalowano już kilkaset systemów służących głównie do zasilania budynków - szpitali, hoteli, biurowców, szkół, a także w elektrowniach, w portach lotniczych i in.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (Solid Oxide Fuel Cells - SOFC)

Ogniwa ze stałym tlenkiem ze względu na dużą moc oraz wysoką temperaturę pracy (1000 st. C) mogą znaleźć zastosowanie w dużych stacjach energetycznych. Zamiast ciekłego elektrolitu zazwyczaj stosowany jest stały materiał ceramiczny. Wydajność procesu sięga 60 proc. Prezentowane przez producentów urządzenia osiągają moc nawet 220 kW. Wysoka temperatura pracy umożliwia budowę urządzeń o pracujących w kogeneracji - gorące gazy wydzielane w procesie mogą zostać wykorzystane do wytwarzania pary wodnej, napędzającej towarzyszącą turbinę.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (Molten Carbonate)

Jako paliwo może być używana mieszanina wodoru oraz tlenku węgla, gaz ziemny, propan, produkty gazyfikacji węgla i in.. Elektrolitem jest roztopiony węglan potasowo-litowy, który pozwala na uzyskanie temperatury pracy sięgającej 650 st. C. Testowane były już układy o mocy od 10 kW do 2 MW. Wydajność układów sięga 45 proc. Wysoka temperatura pracy powoduje szereg problemów konstrukcyjnych.

Ogniwa paliwowe z membraną wymienną (Proton Exchange Membrane - PEM)

Baterie wykonane w tej technologii pracują w niskiej temperaturze (ok. 100 st. C), generują prąd o dużym natężeniu, reagują elastycznie na zmieniające się warunki poboru mocy. Są więc odpowiednie do takich zastosowań jak np. zasilanie pojazdów, gdzie wymagany jest szybki rozruch. Membrana jest wykonana z tworzywa organicznego, umożliwiającego przenikanie przezeń jonom wodoru. Z obu stron membrana pokryta jest cienką warstwą metalu (najczęściej jest to platyna), będącego katalizatorem. Jedna strona membrany (anoda) jest "zasilana" wodorem, gdzie następuje jego jonizacja. Uzyskane elektrony tworzą w obwodzie prąd elektryczny i mogą zostać wykorzystane na swojej drodze do "strony katodowej", zasilanej tlenem. Tymczasem protony dyfundują przez membranę do katody, gdzie łączą się z tlenem tworząc wodę.

Metanolowe ogniwa paliwowe z bezpośrednim zasilaniem (Direct Methanol Fuel Cells - DMFC)

Jako elektrolit wykorzystywana jest membrana polimerowa. W procesie katalizy zachodzącej na anodzie następuje bezpośrednie pozyskanie wodoru z ciekłego metanolu, z pominięciem procesu reformingu paliwa. Już w temperaturze ok. 60 st. C uzyskuje się wydajność na poziomie 40 proc., w wyższej temperaturze wydajność wzrasta.

Regeneratywne ogniwa paliwowe (Regenerative Fuel Cells)

Tego typu ogniwa pracują w cyklu zamkniętym. Wodór i tlen uzyskuje się w procesie elektrolizy bezpośrednio z wody. Źródłem energii dla tego procesu jest skojarzone ogniwo słoneczne. Nasępnie w ogniwie paliwowym wodór łączy się z tlenem wytwarzając ciepło i energię elektryczną. Woda jest ponownie kierowana do napędzanego energią słoneczną elektrolizatora i tak cykl się zamyka.

Bariery rozwoju

Produkcja ogniw paliwowych na dużą skalę w XX wieku była powstrzymywana przez wysokie koszty materiałów. Przykładowo, jak podaje Plug Power, do wyprodukowania ogniwa o mocy 7 kW w 1980 r. potrzebna była platyna o wartości aż 9 000 dolarów. Ze względu na postęp techniczny w roku 2001 koszt platyny potrzebnej do wykonania takiego ogniwa wynosi już tylko 50 dolarów. Ze względu na postępy w projektowaniu, technologii produkcji podzespołów i integracji układów całkowity koszt urządzenia został istotnie zredukowany. Prowadzenie dalszych prac rozwojowych pozwoli na masową produkcję tego czystego ekologicznie źródła energii już w latach 2002 - 2005.

Gdzie rodzi się technologia

Centrum rozwoju technologii ogniw paliwowych znajduje się oczywiście w Ameryce Północnej. Słynny kryzys energetyczny w Kalifornii stał się motorem szeregu działań ze strony rządów federalnych i prezydenta , których celem jest przyspieszenie badań nad alternatywnymi źródłami energii. Równolegle z nimi badania trwają w przedsiębiorstwach prywatnych, które ruszyły w poszukiwaniu złotego runa. Wiele z nich jest notowanych na amerykańskich giełdach. Inwestorzy, którzy kiedyś zainwestowali w inne alternatywne źródła energii mogą z przekąsem stwierdzić, że jest to wielki biznes marzeń, wymagający długotrwałej cierpliwości i nie dostarczający technologii, które można by zastosować dzisiaj. Trudno odmówić trafności takiej ocenie. Nie zmienia to jednak faktu, że rynek firm pracujących nad wdrożeniem tych technologii jest dość zatłoczony. Rozmaite przedsiębiorstwa w rozmaitych stadiach rozwoju pracują nad rozwiązaniami dla rozmaitych użytkowników końcowych. Niektóre rozwijają mini systemy do urządzeń przenośnych, inne do zasilania pojazdów, jeszcze inne tworzą rozwiązania do zasilania szpitali czy nawet ogromnych fabryk. W Polsce badania prowadzone są "na pół gwizdka" w zaciszach uniwersyteckich laboratoriów. Biorąc pod uwagę wysoką pozycję polskiej chemii w światowych rankingach i korzyści, jakie nasz kraj mógłby odnieść dzięki wdrożeniu technologii ogniw paliwowych, stan faktyczny daleko odbiega od moich oczekiwań. Jakkolwiek, sądzę że w ciągu kilku lat ta technologia stanie się powszechna w naszym kraju, powstanie wiele salonów sprzedaży produktów amerykańskich i europejskich producentów. Być może nawet jeden z nich uruchomi w naszym kraju fabrykę obudów do swoich urządzeń lub zleci druk instrukcji użytkowania...

Autor jest chemikiem, zajmuje się pracami związanymi z komercjalizacją technologii ogniw paliwowych w Polsce.

---