Korzeni tej technologii należy się doszukiwać jeszcze w XIX wieku, ale dopiero dziś zaczyna ona przynosić owoce. Sir William Grove, brytyjski sędzia i uczony skonstruował już w 1839 roku pierwsze ogniwo paliwowe.

W pierwszym ogniwie paliwowym, jego wynalazca wykorzystywał reakcję łączenia wodoru z tlenem do bezpośredniego wytwarzania prądu elektrycznego. Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją odpadową jest woda.

Wiele lat potem naukowcy z NASA wykorzystali tę genialnie prostą ideę i rozwinęli technologię do poziomu umożliwiającego wykorzystanie jej w pojazdach kosmicznych Apollo, Gemini, Skylab i innych, aby produkować energię elektryczną i wodę pitną.

Jeszcze pod koniec lat 80-tych ogniwa paliwowe lekceważono - z powodu ich wysokiej ceny. Koszt takich urządzeń był, niestety, astronomiczny i sięgał 100.000 dolarów za kilowat. Teraz sytuacja zmienia się w szybkim tempie, zwłaszcza dzięki istotnym zaletom ekologicznym. Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 40% - 60%, zaś emisję tlenków azotu o 50% - 90%.

Coraz częściej spotyka się informacje o komercyjnych zastosowaniach ogniw paliwowych, nawet w celach energetycznych. Firma Southern California Gas Co. opracowała instalacje o mocy 200 kW dla jednego z hoteli, trzech szpitali i paru innych instytucji publicznych. Ambitne plany przewidują budowę elektrowni o mocy 2 MW.

Największe zainteresowanie przejawia jednak przemysł motoryzacyjny, a jest to spowodowane dwoma czynnikami: dążeniem do zwiększania sprawności napędu oraz wymuszanym przez ekologię ograniczaniem emisji zanieczyszczeń do środowiska naturalnego, w którym żyjemy.

Specjaliści renomowanego amerykańskiego Instytutu Energetyki EPRI (Electric Power Research Institute) twierdzą, że nie ma drugiej, równie czystej technologii jak ogniwa paliwowe. W zasadzie jest to "czarna skrzynka", do której z jednej strony doprowadza się paliwo, a z drugiej uzyskuje prąd elektryczny - przy wysokim współczynniku sprawności wykorzystania paliwa i nikłej emisji zanieczyszczeń. Jako paliwo najprościej byłoby wykorzystywać wodór, ale lepiej używać gazu ziemnego, którego głównym składnikiem (około 90%) jest metan CH4, zaś najbezpieczniej - metanolu CH3OH.

Zarówno zwykłe baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny dzięki reakcjom elektrochemicznym. W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, cały proces zaczyna się od wydzielania czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem (1). Powstający przy tym dwutlenek węgla (2) jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu.

Następnie wodór trafia do właściwego ogniwa (3), wywołując kolejne reakcje chemiczne: platynowy katalizator na anodzie "wyrywa" z gazu elektrony (4), a dodatnio naładowane jony (protony) "rozpuszczają się" w elektrolicie (5). Obojętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechwytuje swobodne elektrony powodując powstanie prądu stałego (8). Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie, wytwarzając wodę (7). Powstający stały prąd elektryczny zostaje w przetwornicy przekształcony na prąd zmienny (9), z którego łatwiej można korzystać. Jak długo do właściwego ogniwa paliwowego dopływa wodór i tlen, tak długo wytwarza ono prąd elektryczny, ciepło i wodę. Siła elektromotoryczna pojedynczego ogniwa wynosi około 1 wolta, lub mniej, a natężenie prądu elektrycznego w obwodzie zależy od powierzchni elektrod. Napięcie można zwiększać łącząc ze sobą szeregowo wiele takich ogniw - jak plastry wafli przekładanych nieprzepuszczalnymi dla elektrolitu, lecz przewodzącymi prąd elektryczny, membranami - zwiększając w ten sposób ich wydajność. Stos kilku niewielkich ogniw może dostarczyć moc paru watów, zaś wiele ogniw o powierzchni metra kwadratowego jest w stanie generować setki kilowatów.

Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, różniących się między sobą konstrukcją, materiałem elektrod, rodzajem elektrolitu i katalizatorów. W ogniwach wytwarzających energię elektryczną i wodę, przeznaczonych dla promów kosmicznych, NASA stosuje np. wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi i niezawodnymi urządzeniami, mającymi za sobą dorobek długotrwałych prac badawczo-rozwojowych, są ogniwa wykorzystujące kwas fosforowy oraz ogniwa z membranami polimerowymi.

(...) Wizja sprawnych, praktycznych aut z napędem elektrycznym kusiła producentów samochodów od dziesięcioleci. Trwa wyścig technologów, opracowujących akumulatory elektryczne o możliwie dużym stosunku zapasu energii do masy. Dużym sukcesem jest opracowanie baterii litowo-jonowych, mających pojemność trzykrotnie większą od akumulatorów klasycznych przy tej samej masie - wynoszącą 120 Wh/kg. Jednakże bardziej atrakcyjne od takich akumulatorów są ogniwa paliwowe, których nie trzeba długo doładowywać, a wystarczy tylko uzupełniać zapas paliwa, co trwa znacznie krócej.

(...) Ponieważ bezpośrednie operowanie wodorem jest bardzo niebezpieczne konstruktorzy zdecydowali się jako źródło wodoru wykorzystać metanol. Reakcja w ogniwie paliwowym zachodzi w temperaturze 80 - 90 stopni Celsjusza przy ciśnieniu 3,0 bar. Ogniwo paliwowe wspomagane jest baterią akumulatorową, składającą się z 44 ogniw NiMH połączonych szeregowo. (...)

Realnie patrząc możemy się spodziewać, że pierwsze modele pojazdów z tym nowoczesnym źródłem energii wejdą do produkcji w latach 2002 - 2005, ponieważ wiele zagadnień technicznych i technologicznych wymaga jeszcze dopracowania. Ale warto, ponieważ - poza oczywistymi zaletami jeśli chodzi o ochronę środowiska - ogniwa paliwowe umożliwią zmniejszenie zapotrzebowania na ropę naftową. Poza tym ogólna sprawność samochodów z ogniwami paliwowymi oscyluje wokół 30%, podczas gdy w przypadku pojazdów z silnikami spalinowymi sprawność ta nie przekracza kilkunastu procent (zwykle około 10%). Technologowie myślą też o miniaturyzacji ogniw PFM. Firma H-Power z New Jersey opracowuje 25-watowe baterie NoCad VidPack, mające zastąpić baterie niklowo-kadmowe używane w wideo-kamerach. Źródłem paliwa ma być mały patron ze sprężonym wodorem, wystarczający na 2 godziny pracy kamery. Firma pracuje również nad zasilaczem PEM dla laptopów, nie większym od konwencjonalnej baterii i umożliwiającym 16 godzin pracy oraz nad czujką dymu o żywotności 20 lat.

W poszukiwaniu mocniejszych i trwalszych źródeł energii elektrycznej naukowcy sięgają po mniej znane i mało opanowane rozwiązania ogniw paliwowych ze stopionymi węglanami i zestalonymi tlenkami. Oba rodzaje mają przetwarzać paliwo na prąd elektryczny ze sprawnością 50% - 60%. Ogniwa te charakteryzują się wysoką temperaturą pracy: ogniwa ze stopionymi węglanami pracują w temperaturze 650 stopni Celsjusza, a ogniwa tlenkowe w temperaturze zbliżonej do 1000 stopni Celsjusza. Oznacza to, że powstająca jako produkt uboczny woda ma postać pary przegrzanej, którą można wykorzystywać do napędzania konwencjonalnej turbiny parowej z dodatkowym generatorem elektrycznym, albo do grzania wody. Wysoka temperatura pracy umożliwia też bezpośrednie wykorzystywanie gazu ziemnego jako paliwa (zamiast czystego wodoru). Firma Energy Research Corp. uruchomiła już zestaw o mocy 70 kW, składający się z 234 ogniw paliwowych ze stopionym węglanem, i miała zbudować elektrownię o mocy 2 MW dla miasta Santa Clara. Sukces tego przedsięwzięcia mógłby zaowocować zamówieniem na 50 podobnych bloków.

Ogromne zainteresowanie wzbudzają ogniwa paliwowe z zestalonym tlenkiem, których technologia jest najtrudniejsza, ale osiągi są niezwykle obiecujące. Przewiduje się, że tego rodzaju ogniwa znajdą zastosowanie w dużych, przemysłowych zakładach energetycznych, lub statkach transoceanicznych. (...) Inny, prostszy pomysł na tlenkowe ogniwa paliwowe ma mała, młoda firma ZTEC, z Massachussetts. Zamiast rur ZTEC zaprasowuje elektrody z elektrolitem w postaci płaskiego, sztywnego dysku. Stos 16-tu takich ogniw ma zaledwie jeden cal wysokości (2,54 cm). Setki takich ogniw upakowane razem w sztywnej obudowie, mającej postać litery U, tworzy podstawowy blok o mocy 25 kW. Takie rozwiązanie konstrukcyjne umożliwia szybkie uruchamianie i skuteczne odprowadzanie ciepła. Konstruktorzy przewidują, że elektrownia z ogniwami paliwowymi o mocy 2,5 MW zmieści się na 18-kołowej przyczepie, którą będzie można łatwo przewieźć w potrzebne miejsce. Do jej pracy wystarczy otaczające urządzenie powietrze i rurociąg doprowadzający gaz ziemny, a powstająca para będzie napędzać turbogenerator.

Pozostają jednak problemy związane ze starzeniem się ogniw paliwowych. Zanieczyszczenia zawarte w paliwie powodują stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieuchronnie ogranicza przepływ jonów wodoru i tlenu, zmniejszając wydajność prądową. Konstruktorzy starają się stworzyć zestawy o żywotności nie mniejszej niż 40.000 godzin (co będzie oznaczało konieczność wymiany całego bloku co 5 - 7 lat).

Ważnym czynnikiem ograniczającym rozwój tej nowoczesnej technologii jest nieubłagana ekonomia. Budowa konwencjonalnej elektrowni jest znacznie tańsza od obiektu z ogniwami paliwowymi. A bez zamówień na ogniwa paliwowe producenci nie mogą uruchomić ich masowej, a więc tańszej i zautomatyzowanej produkcji. Zainteresowane firmy szacują, że uruchomienie produkcji ogniw o łącznej mocy 200 MW rocznie pozwoliłoby obniżyć ich cenę detaliczną o połowę.

Warto sobie uświadomić, jak ogromnych środków wymaga usuwanie tlenków siarki i azotu ze spalin w elektrowniach konwencjonalnych. Ogniwa paliwowe takich zanieczyszczeń nie wytwarzają w ogóle, a emisja tlenku węgla jest niższa od jego zawartości w powietrzu atmosferycznym. Może więc inwestorom bardziej opłacałoby się inwestować w dopracowanie technologii i uruchomienie masowej produkcji ogniw paliwowych, aniżeli przeznaczać ogromne środki na dopracowywanie starych i opracowywanie wciąż nowych metod oczyszczania spalin w elektrowniach konwencjonalnych.

Ogniwa paliwowe mają jeszcze jedną cechę, którą trudno uwzględniać podczas chłodnych kalkulacji kosztów i korzyści: jest to praktyczne rozwiązanie pobudzające naszą wyobraźnię. Wielu specjalistów widzi w nich jeszcze jedno ważne, ekologicznie czyste źródło energii w XXI wieku.

---