Ogniwo paliwowe - Wikipedia, wolna encyklopedia















/**/















         Nauczycieli i wykładowców zapraszamy do współpracy

Ogniwo paliwowe[edytuj]

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj




Bezpośrednie ogniwo metanolowe ustawione w przezroczystym opakowaniu






Schemat zasady działania ogniwa paliwowego






Schemat budowy ogniwa paliwowego: 1 - wodór 2 - przepływ elektronów 3 - ładowanie (odbiornik energii) 4 - tlen 5 - katoda 6 - elektrolit 7 - anoda 8 - woda 9 - jony hydroksylowe


Ogniwo paliwowe to ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od ogniw galwanicznych (akumulatory, baterie) w których energia wytwarzanego prądu
musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń (co znacznie
ogranicza czas ich pracy) ogniwa paliwowe nie muszą być wcześniej
ładowane. Wystarczy tylko doprowadzić do nich paliwo. W przypadku ogniw
galwanicznych ładowanie może być procesem trwającym wiele godzin, a ogniwa paliwowe są gotowe do pracy po niewielkim czasie wymaganym do nagrzania.
Ogromną zaletą ogniw wodorowych jest bardzo niewielkie zanieczyszczenie powietrza, które one powodują. Powstające w nich spaliny składają się wyłącznie z obojętnej dla środowiska pary wodnej. Silniki spalinowe oprócz pary wodnej wytwarzają też dwutlenek węgla, czad, ozon, tlenki siarki, azotu i ołowiu oraz szereg innych toksycznych substancji. Zastosowanie ogniw paliwowych w samochodach może uchronić miasta przed smogiem i zmniejszyć rozmiary efektu cieplarnianego.
Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie. Są to ogniwa wodorowe. Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów.
W ogniwach galwanicznych wytwarzanie prądu opiera się na szeregu
reakcji chemicznych, które doprowadzają do zmiany składu elektrolitów
lub elektrod. Aby odwrócić ten proces konieczne jest długotrwałe
ładowanie.




Spis treści
[ukryj]

1 Zastosowania
2 Rodzaje ogniw paliwowych
3 Podstawy naukowe
4 Sprawność ogniwa paliwowego

4.1 Sprawność termodynamiczna
4.2 Czynniki ograniczające sprawność
4.3 Rzeczywiste ogniwa


5 Historia

5.1 Zastosowanie ogniw paliwowych


6 Wpływ na środowisko
7 Zobacz też
8 Przypisy

8.1 Linki zewnętrzne







//


Zastosowania [edytuj]
Najważniejsze zastosowania ogniw paliwowych:

energetyka,
sondy i statki kosmiczne,
systemy zasilania awaryjnego,
dostarczanie energii 2 mld ludzi pozbawionych dostępu do sieci energetycznej,
urządzenia mobilne – telefony komórkowe, urządzenia PDA, notebooki,
samochody na wodór,
roboty mobilne – autonomiczne roboty wykonujące prace serwisowe (sprzątanie) lub transportowe.


Rodzaje ogniw paliwowych [edytuj]
Istnieje szereg rodzajów ogniw paliwowych:

ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (ang. Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC),
odwracalne ogniwo paliwowe (ang. Reversible Fuel Cell - RFC),
bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang. Direct-methanol fuel cell - DMFC),
ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (ang. Solid-oxide fuel cell - SOFC),
ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (ang. Molten-carbonate fuel cell - MCFC),
ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel cell - PAFC),
alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline fuel cell - AFC).


Podstawy naukowe [edytuj]
Podstawowym rodzajem ogniw są te wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów (elektrolit polimerowy). Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji.
Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie w wyniku oddziaływania wodoru z materiałem katody zachodzi dysocjacja w wyniku czego powstają jony protonowe H+ oraz elektrony e. Elektrony przyciągane przez anodę pozostają w niej jony wodorowe dyfundują:



Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem
tylko dla protonów, nie przepuszcza innych jonów szczególnie jonów
tlenu od katody do anody. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.
Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O2-:



jony wodorowe H+ są zobojętniane zjonizowanym tlenem:



Końcowy produktu to H2O czyli woda w postaci pary lub ciekłej.
Istnieją odmiany ogniw paliwowych, w których źródłem energii nie
jest wodór w postaci gazowej. Gaz ten jest produkowany w ogniwie na
skutek spalania związków chemicznych bogatych w wodór, jak metan czy metanol.
Wodór zgromadzony w postaci związanej jest łatwiejszy do transportu –
zajmuje mniejszą objętość i nie musi być skraplany w tak niskiej temperaturze. Jednak sprawność takich ogniw jest mniejsza i często oprócz pary wodnej produkują one dwutlenek węgla. Niemniej są i tak czystsze oraz bardziej wydajne od tradycyjnych silników spalinowych.
W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie
gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji
prądu się zatrzymuje. Są jednak urządzenia, w których łączy się baterie słoneczne produkujące wodór przez elektrolizę z ogniwem paliwowym. W takim układzie wodór jest produkowany w ciągu dnia z energii słonecznej, a w nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego procesu (prąd �ął wodór �ął prąd) jest rzędu od 30 do 40%.
Podobne rozwiązanie może zostać zastosowane w elektrowni wiatrowej.
Kiedy wieje silny wiatru nadmiar energii magazynowany jak w postaci
wodoru. Kiedy wiatr cichnie niedobór prądu pokrywa produkcja energii w
ogniwie paliwowym. Spekuluje się na temat możliwości budowy systemu
rurociągów transportujących zmagazynowaną w wodorze energię do jej
odbiorców.

Sprawność ogniwa paliwowego [edytuj]

Sprawność termodynamiczna [edytuj]
Silniki cieplne pracujące w oparciu o paliwo chemiczne spalają
paliwo zamieniając jego energię na energię termiczną, energia termiczna
jest zamieniana na pracę. Ogniwa paliwowe przetwarzają energię
chemiczną na elektryczną w zupełnie inny sposób, bez zamiany na energię
termiczną, przez co mogą osiągnąć większą sprawność teoretyczną niż
silnik pracujący według idealnego cyklu Carnota. [1] Sprawność przetwarzania energii zawartej w paliwie przez ogniwa, także podlega ograniczeniom wynikającym z zasad termodynamiki, ale są to całkiem inne ograniczenia niż dla silników cieplnych. [2].
Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że zmiana energii
wewnętrznej podczas reakcji następuje w wyniku przepływu ciepła do
układu i wykonania pracy przez układ, co określa wzór:







Praca wykonana przez układ składa się z pracy wykonanej na przenoszenie ładunków elektrycznych (Le jak i pracy objętościowej LV = p�"V. Po dodaniu do obu stron równości wyrażenia p�"V, otrzymujemy wzór na zmianę entalpii w reakcji:








Entalpia jest równa energii jaką można uzyskać z danego procesu przebiegającego przy stałym ciśnieniu.
Przyjmując, że proces jest odwracalny, z II zasady termodynamiki otrzymujemy:








lub







Prawa strona tego wzoru to entalpia swobodna
zwana funkcją Gibbsa. Wykonana praca zwiększa energię elektryczną
przenoszonych elektronów co jest równoważne wytwarzaniu siły
elektromotorycznej. Energia ta rozkłada się na wszystkie elektrony
przenoszone podczas reakcji. Co dla 1 mola reakcji daje zależności:








gdzie

n - liczba elektronów w pojedynczej reakcji,
A - liczba Avogadro,
e - ładunek elektronu,
E - wytwarzana siła elektromotoryczna.

Entalpia jak i funkcja Gibbsa procesu termodynamicznego jest możliwa
do obliczenia teoretycznego, znane są też ich zależności od
temperatury, ciśnienia itp. Zależność funkcji Gibbsa, a tym samym i
siły elektromotorycznej ogniwa, od aktywności molowej reagentów opisuje Równanie Nernsta.
Sprawność ogniwa określa się jako stosunek energii elektrycznej do
całkowitej energii możliwej do uzyskania w wyniku tej reakcji. Reakcja
przebiega przy stałym ciśnieniu, dlatego uzyskiwaną energię, czyli
energię swobodną odnosi się do entalpii.







gdzie:

�"G - entalpia swobodna Gibbsa
�"H - zmiana entalpii całkowitej paliwa
�"S - przyrost entropii układu
T - temperatura bezwzględna pracy ogniwa

Dla przemian egzotermicznych (�"H < 0), w których zmiana entropii
(�"S) jest większa od zera, sprawność taka jest nawet większa od
jedności. (T jest temperaturą absolutną ogniwa paliwowego, czyli liczbą
zawsze dodatnią.) Oznacza to że, teoretycznie, mogą istnieć reakcje
chemiczne w wyniku których ogniwo wytwarza więcej energii elektrycznej
niż zawarta w paliwie, pobiera wówczas energię cieplną z otoczenia i
zamienia ją na energię elektryczną, taką reakcją jest reakcja
utleniania węgla do tlenku węgla, której sprawność teoretyczna wynosi
124,2% [1]

Czynniki ograniczające sprawność [edytuj]
Sprawność ogniwa paliwowego zależy od pobieranej mocy - im pobierana
moc jest większa, tym niższa jest sprawność ogniwa. Większość strat
przejawia się jako spadek napięcia
celi, tak więc sprawność można przedstawić jako funkcję napięcia
zależną od obciążenia ogniwa. Typowe ogniwo pracujące przy napięciu 0,7
V ma sprawność około 50%, co oznacza, ze 50% energii paliwa wodorowego
jest zamieniane na energię elektryczną, pozostałe 50% zamieniane jest w
ciepło.

Rzeczywiste ogniwa [edytuj]
Dla ogniwa wodorowego pracującego w standardowych warunkach,
sprawność jest równa napięciu celi ogniwa podzielonej przez 1,48 V
wynikającego z termodynamiki reakcji. Dla tego samego ogniwa sprawność egzergetyczna
jest równa ilorazowi napięcia celi i 1,23 V (napięcie 1,23 V jest
zależne od jakości użytego paliwa i temperatury pracy ogniwa). Różnica
między sprawnością (termodynamiczną) a sprawnością egzergetyczną wynika
z różnicy pomiędzy wykorzystaną entalpią paliwa a możliwą do
wykorzystania entalpią swobodną Gibbsa. Ta różnica zawsze przejawia się jako ciepło, niezależnie od innych strat konwersji energii elektrycznej.[3]
Ogniwa paliwowe nie są ograniczone przez maksymalną sprawność cyklu Carnota,
tak jak silnik cieplne, ponieważ nie pracują w obiegu termodynamicznym.
Prawa termodynamiki obowiązujące dla reakcji chemicznych ograniczają
także maksymalna sprawność ogniwa paliwowego, jednak teoretyczna
sprawność ogniw paliwowych jest znacznie wyższa (83% sprawność dla 298K
[4]) niż cyklu Karnota (21% dla T1 = 293K and T2 = 373K).
Prawidłowym jest stwierdzenie, że "ograniczenia narzucone przez drugą
zasadę termodynamiki na ogniwa paliwowe są znacznie łagodniejsze niż
ograniczenia narzucone na konwencjonalne systemy konwersji energii".[5].
Rzeczywista sprawność produkowanych ogniw sięga 40% i jest
porównywalna z silnikami cieplnymi. W przypadku wykorzystywania ogniwa
do napędu trzeba dodatkowo uwzględnić sprawność przetwarzania energii
elektrycznej na pracę.

Historia [edytuj]




Ogniwo wodorowe konstrukcji Williama R. Grove'a z 1839 roku [6]


Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku szwajcarski chemik Christian Friedrich Sch�śnbein. 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 AFC jako źródło elektryczności i wody w swoim programie kosmicznym. W ogniwa paliwowe zostały wyposażone takie statki jak np. Gemini 5, 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.

Zastosowanie ogniw paliwowych [edytuj]
Ogniwa paliwowe są coraz częściej stosowane w samochodach osobowych. Przykłady takich modeli to: Honda FCX Clarity[7],
Nissan X-Trail FCV (Fuel Cell Vehicle), Toyota FCHV (Fuel Cell Hybrid
Vehicle). Ford proponuje Focusa FCEV Hybrid, nad autami z ogniwami
paliwowymi pracuje też General Motors, Mercedes, Mitsubishi i wiele
innych koncernów. Nie należy z autami wyposażonymi w ogniwa paliwowe (a
więc elektrycznymi) mylić tych, w których paliwem jest wodór, ale
spalany w klasycznym silniku cieplnym. Są to BMW hydrogen 7 i Mazda RX
8 hydrogen RE z silnikiem Wankla.[8] Mazda RX-8 hydrogen - pierwszy silnik Wankla zasilany wodorem[9], [10]

Wpływ na środowisko [edytuj]
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 obecnie jest znacznie niższa i w przyszłości
może nie przekroczyć 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.
Sceptycy zwracają uwagę na ciągle małą sprawność ogniw, wysokie koszty produkcji ogniw jak i paliwa do nich.

Zobacz też [edytuj]



   



Zobacz galerię na Wikimedia Commons:
Ogniwo paliwowe


Przypisy


�ąę 1,0 1,1 http://www.itc.polsl.pl/centrum/kogen/materialy/art10.pdf
�ąę http://www.wsipnet.pl/kluby/chemia.html?kto=648&id=5514&par=648 wzór (4)
�ąę Larminie, James (May 2003). Fuel Cell Systems Explained, Second Edition. SAE International. ISBN 0-7680-1259-7
�ąę www.worldenergy.org/focus/fuel_cells/377.asp
�ąę http://web.mit.edu/afs/athena.mit.edu/org/m/mecheng/fcp/about%20f%20cells.html
�ąę W.R. Grove, �śOn voltaic series and the combination of gases by platinum”, Phil. Mag. 14, 127-130 (1839)
�ąę Honda FCX Clarity - najczystsze auto na świecie, produkcja seryjna rozpoczęta!
�ąę [1]
�ąę Toyota wprowadza na rynek pierwszy samochód napędzany ogniwami paliwowymi
�ąę Mitsubishi Grandis na ogniwa paliwowe?



Linki zewnętrzne [edytuj]

The Fuel Cell Way Polski
Praca magisterska na temat napędu wodorowego.
Organizacje, stowarzyszenia i producenci ogniw paliwowych
[2]







Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Ogniwo_paliwowe"
Kategoria: Elektrochemia






Widok



Artykuł
dyskusja
edytuj
historia i autorzy



osobiste


Logowanie i rejestracja






if (window.isMSIE55) fixalpha();

Szukaj



 





nawigacja


Strona główna
Kategorie artykułów
Bieżące wydarzenia
Losuj stronę




zmiany


Zgłoś błąd
Zgłoś złą grafikę
Częste pytania (FAQ)
Kontakt z Wikipedią
Wspomóż Fundację




dla edytorów


Ostatnie zmiany
Zasady edycji
Pomoc
Portal wikipedystów




narzędzia


Linkujące
Zmiany w dolinkowanych
Strony specjalne
Wersja do druku Link do tej wersjiCytowanie tego artykułu



W innych językach


Afrikaans
�żŁ"�ą�ąبŁ�ة
Bosanski
�ęŃ���łаŃ�Ń�ки
Catal�
�Śesky
Dansk
Deutsch
Ε��ην�ąκ�Ź
English
Espa�ąol
Esperanto
Fran�żais
Hrvatski
�śę���
�
Bahasa Indonesia
Italiano
�ó�ęרית
Nederlands
ćĄćśŹŁ�ś
‪Norsk (bokm�Ąl)�Ź
Português
Rom�ónă
� Ń�Ń�Ń�ки�ą
Simple English
�ĄŃ��żŃ�ки / Srpski
Suomi
Svenska
ąą"ą�ą�ó
Ti�żng Vi�t
T�źrk�że
�ż�ą�ŻŁ�
中ć
�









Tę stronę ostatnio zmodyfikowano 20:31, 18 paź 2008.
Tekst udostępniany na licencji GNU Free Documentation License. (patrz: Prawa autorskie)
Wikipedia® jest zarejestrowanym znakiem towarowym Wikimedia Foundation. Możesz przekazać dary pieniężne Fundacji Wikimedia.
Zasady ochrony prywatności
O Wikipedii
Informacje prawne




if (window.runOnloadHook) runOnloadHook();