OGNIWA PALIWOWE

W roku 1839 fizyk brytyjski William R. Grove zademonstrował, że podczas elektrochemicznej reakcji łączenia wodoru z tlenem powstaje prąd elektryczny. Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją odpadową jest woda. Jednak oparte na tym zjawisku ogniwa paliwowe przez ponad wiek były zaledwie ciekawostką laboratoryjną. Dopiero w latach sześćdziesiątych obecnego wieku lekkie i zwarte (choć drogie) ich odmiany NASA zaczęła instalować w statkach kosmicznych do zasilania ich w energię elektryczną. Dziś technologię tę, obiecującą czystą ekologicznie, efektywną i cichą pracę, próbuje się wykorzystać w wielu nowych ziemskich zastosowaniach, w tym do zasilania telefonów komórkowych, komputerów przenośnych, domów i mieszkań oraz elektrycznych silników samochodowych. 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%.

2. Czym jest ogniwo paliwowe?

Zasada działania ogniwa paliwowego jest prosta już z założenia. Zarówno zwykłe baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny dzięki reakcjom elektrochemicznym.

Reakcja sumaryczna:

W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, cały proces zaczyna się od wydzielania czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem.(1).

Reakcje reformowania:

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).

Reakcja anodowa:

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).

Reakcja katodowa:

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.

Rys.1 Schemat działania ogniwa paliwowego

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.

3. Rodzaje ogniw paliwowych.

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 (PAFC - phosphoric acid fuel cell) oraz ogniwa z membranami polimerowymi.

elektrolit	membrana PEM	kwas fosforowy	ciekły węglan	stałe tlenki
temperatura pracy	80^oC	około 200^oC	650^oC	800-1000^oC
nośnik ładunku	jony wodoru	jony wodoru	jony węglanu	jony tlenu
reformer	zewnętrzny	zewnętrzny	wewnętrzny lub zewnętrzny	wewnętrzny lub zewnętrzny
podstawowe składniki, ogniwa	na bazie węgla	na bazie grafitu	stal nierdzewna	materiały ceramiczne
katalizator	platyna	platyna	nikiel	perowskit (metatynian wapnia)
sprawność (%)	40-50	40-50	ponad 60	ponad 60
stan opracowania	prototypowe	działające	prototypowe	prototypowe

Tabela 1. Porównanie ogniw paliwowych

Zasadniczo rozróżnia się dwa typy ogniw:

- ogniwa o alkaicznym elektrolicie,
Elektrolitem w takim ogniwie przeważnie jest roztwór KOH.
Reakcje:

- ogniwa o kwaśnym elektrolicie (również ogniwo z membraną polimerową),>br> Ogniwo takie posiada w elektrolicie ruchome kationy wodoru, które grają tu kluczową rolę.
Reakcje:

4. Zastosowanie ogniw paliwowych.

Na praktyczne zastosowanie ogniw paliwowych musimy jeszcze poczekać. 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.

Kwestią o największym znaczeniu jest rozwiązanie magazynowania paliwa. Bogaty energetycznie ciekły wodór musi być przechowywany w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu - nie do zaakceptowania w masowych zastosowaniach. Z kolei uwolnienie wodoru z obfitującego weń metanolu, będącego cieczą w temperaturze pokojowej, zwykle wymaga reformingu - złożonej i kłopotliwej przemiany chemicznej. A ponadto często potrzebny jest cenny katalizator platynowy. Te i podobne czynniki komplikują konstrukcję ogniw paliwowych, niejednokrotnie wymagających uzupełnienia skomplikowanymi podsystemami. Różne grupy badawcze na całym świecie intensywnie doskonalą technologię i prowadzą prace zmierzające do opracowania urządzeń o znaczeniu praktycznym. Na przykład udało się już ponad 30 - krotnie obniżyć konieczną ilość platyny w jednym z typów ogniw paliwowych. Następuje obecnie komercjalizacja ogniw paliwowych w trzech dziedzinach: napędu samochodów, gdzie trudno zdystansować silniki spalania wewnętrznego, energetyki, w której następuje odejście od scentralizowanych systemów megawatowych elektrowni do małych elektrociepłowni na użytek domowy, i zasilania elektronicznych urządzeń przenośnych, w których ogniwa paliwowe mogą z powodzeniem zastąpić stosowane obecnie akumulatory.

5. Ogniwa paliwowe a ekologia.

Jak wspomniałem wyżej ogniwa paliwowe są czystym ekologicznie źródłem energii elektrycznej. W standardowym ogniwie paliwowym atomy wodoru (paliwo) oddają elektrony jednej elektrodzie (anodzie), a następnie łączą się z elektronami i tlenem (utleniaczem) na drugiej elektrodzie (katodzie). Jedynym produktem chemicznym zachodzących reakcji jest woda, a elektrody nie ulegają przemianom. W bateriach elektrody biorą udział w reakcjach elektrochemicznych (np. w akumulatorach niklowo-kadmowych elektrodami są tlenowodorotlenek niklu i kadm). W przypadku małych akumulatorów litowych, zaprojektowanych z myślą o przenośnych urządzeniach elektronicznych, napięcia nie przekraczają obecnie 3 - 4 V. Paliwa wodorowe nie pozwalają uzyskać napięć powyżej 1 V, ale mniejsza masa i objętość ogniw umożliwiają większe upakowanie i więcej energii elektrycznej, podczas gdy rozmiary pozostają zbliżone.

	zgromadzona energia elektrochemiczna
	w jednostce masy [Wh/kg]	w jednostce objętości [Wh/l]
ogniwa paliwowe
dekalina	2400	2100
ciekły wodór	33000	2500
borowodorek litu	2800	2500
stały wodorek matalu	370	3300
metanol	6200	4900
wodór w nanowłóknach grafitowych	~16000	~32000
akumulatory
ołowiowo-kwasowy</P< td>	30</P< td>	80</P< td>
niklowo-kadmowy</P< td>	40</P< td>	130</P< td>
nikolowo-wodorkowy</P< td>	60</P< td>	120</P< td>
litowo-jonowy</P< td>	130</P< td>	300</P< td>

Tabela 2. Potencjał energetyczny ogniw paliwowych.

 

W 1996 roku jeździło po drogach świata około 634 mln pojazdów (przyrost o niemal 30% w ciągu dziesięciolecia). Pojazdy te wyemitowały łącznie około 3,7 mld ton dwutlenku węgla, gazu potęgującego efekt cieplarniany. Oprócz tego znane są dobrze wszystkim zagrożenia zdrowia związane z emisją innych gazów spalinowych np. tlenku azotu. A na domiar złego większość ropy naftowej znajduje się na niestabilnym Bliskim Wschodzie. Z wyżej wymienionych powodów producenci samochodów poszukują różnych alternatywnych źródeł energii. Wiele nadziei wiąże się właśnie z ogniwami paliwowymi. Bezpośrednia przemiana energii chemicznej w elektryczną w ogniwie paliwowym wynosi od 45% do 60%. Wynik ten jest lepszy od współczesnych silników spalania wewnętrznego - 15% sprawność. Daniel Sperling, dyrektor Instytutu Studiów nad Transportem na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, szacuje, że do roku 2010 liczba samochodów elektrycznych (w tym z ogniwami paliwowymi) sięgnie milionów.

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.

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).

6. Inne alternatywne źródła energii ( w stosunku do spalania kopalin).

Ogniwa paliwowe należą do grupy źródeł energii, z którymi wiąże się nasza przyszłość ta bliższa jak i ta dalsza. Spalanie kopalin takich jak ropa naftowa, gaz ziemny (najbardziej ekologiczne teraźniejsze paliwo kopalne), węgiel (Polska ma tu duży problem, większość naszej energetyki opiera się na węglu - paliwie trucicielu) przyczynia się do wzrostu globalnego ocieplenia. Tanie, niewyczerpalne i nieograniczone - takie kryteria przyjęto w poszukiwaniach nowych źródeł energii na potrzeby XXI wieku. O ogniwach paliwowych już wspomniałem bo taki był tytuł mojego referatu ale chciałbym nadmienić tu też o innych źródłach energii dla uzupełnienia całości, jak i o potencjalnym zainteresowaniu potencjalnego czytelnika. Naukowcy dostrzegają trzy niewyczerpalne źródła energii:
- fuzja termojądrowa (kawałek Słońca w zaprzęgu),
- reaktory powielające,
- energia słoneczna.

Źródła te jeszcze nie istnieją, są w sferze badań, lub istnieją ale nie znalazły na razie większego zastosowania. Na uwagę zasługuje fakt, że do tej pory mimo silnego sprzeciwu lobby naftowego jak i opinii publicznej (opory natury psychicznej przeciwko użytkowaniu energii jądrowej) fundusze a co za tym idzie badania nie wygasły. Jest to optymistyczny akcent w naszej błyskawicznie zmieniającej się rzeczywistości.

7. Podsumowanie.

Twierdzenie, że coś nie może powstać, jest zawsze ryzykowne. Zbyt wiele razy ci, którzy mówili, że pewne rzeczy są niemożliwe, dożywali czasów ich istnienia. Setki tych, którzy nie wierzyli w dokonania braci Wright, Jamesa Watta i Thomas Edisona, niedowiarków, którzy udowadniali, że latanie aeroplanem , działanie maszyny parowej i świecenie żarówki jest, niemożliwe, nie tylko ujrzały te wynalazki, lecz przekonały się także, w jaki sposób wpłynęły one na bieg historii. Ponieważ dosyć dobrze poznaliśmy prawa natury, możemy stwierdzić, że pewne rozwiązania techniczne są niezgodne ze znanymi prawami elektrodynamiki, mechaniki kwantowej, teorii względności itd. Stwierdzenie to nie wyklucza jednak przyszłych odkryć.

---