Przeczytaj
Historia ogniw paliwowych
Ogniwa paliwowe są integralną częścią rozwoju przemysłu paliwowego i chociaż początki ich odkrycia datuje się na pierwszą połowę , to dopiero po zyskały rozgłos na całym świecie.
Pierwsze ogniwo paliwowe zostało skonstruowane przez angielskiego naukowca Wiliama R. Grove w Było to możliwe dzięki publikacji zasad jego działania przez chemika Chrystiana F. Schönbeina.
Większy rozgłos zyskały jednak w drugiej połowie w Stanach Zjednoczonych, kiedy ze względu na bezpieczeństwo działania i możliwość ekologicznego pozyskiwania energii oraz wody pitnej, zostały ulepszone i zastosowane w nowo powstałych programach kosmicznych – np. w misji Gemini 5 czy programie Apollo. Tam po raz pierwszy w historii zastosowano ogniwa paliwowe produkowane na skalę przemysłową. Opracowano wówczas ten typ ogniw z membranami polimerowymi oraz alkaliczne ogniwo paliwowe.
Początkowo produkcja ogniw paliwowych była bardzo droga, a ceny sięgały rzędu dolarów za kilowat. Stosowano wówczas niezwykle kosztowne materiały, a do samej pracy ogniwa potrzebne były odpowiednie warunki: bardzo wysoka temperatura oraz czysty tlen i wodór.
Przełomową datą w rozwoju ogniw paliwowych był również , kiedy firma Intelligent Energy wyprodukowała pierwszy na świecie motocykl ENV. Stało się to możliwe dzięki opanowaniu technologi, która pozwalała na zmniejszenie rozmiarów ogniw paliwowych.
Budowa i sposób działania ogniwa paliwowego
Ogniwo paliwowe to ogniwo elektrochemiczne, które stanowi układ złożony z dwóch elektrodelektrod i elektrolituelektrolitu.
W przeciwieństwie do tradycyjnych ogniw galwanicznych (baterii lub akumulatorów), w których energia jest zgromadzona wewnątrz urządzenia i które wymagają często ładowania, ogniwa paliwowe nie muszą być wcale ładowane. Ich działanie polega na przekształcaniu gazowego wodoru (pochodzącego z paliwa) i tlenu (pochodzącego z powietrza) w wodę. Za pomocą kanalików w elektrodach, doprowadzane jest paliwo (zazwyczaj , metanol lub etanol) oraz utleniacz
(), a odprowadzana jest woda lub para wodna. Sumaryczna reakcja przebiegająca w ogniwie paliwowym ma postać:
Ładunek elektryczny, generowany w ogniwie, odprowadzany jest do obwodu zewnętrznego.
Ogniwo paliwowe typu PEMFC
Obecnie możemy wyróżnić wiele typów ogniw paliwowych, jednak najczęściej wykorzystywanym ogniwem w transporcie i w urządzeniach przenośnych jest ogniwo paliwowe z elektrolitem polimerowym PEMFC (ang. proton‑exchange membrane fuel cells), znane również pod nazwą PEM.
Ogniwo paliwowe, z jonowymienną membraną polimerową, zbudowane jest z elektrodelektrod (katodykatody i anodyanody) oraz elektrolitu, w którym zanurzona jest półprzepuszczalna membrana. Elektrody z kolei tworzone są z nawęglonego papieru z dodatkiem platyny, która pełni rolę katalizatora. Membrana ma postać cienkiej warstwy polimerupolimeru, rozgraniczającej obydwie elektrody.
Paliwem zasilającym ogniwo jest gazowy wodór , który – wprowadzany w obszar porowatej anody – ulega jonizacjijonizacji na protony oraz elektrony. Proces ładowania ogniwa paliwowego następuje podczas przenikania protonów przez półprzepuszczalną membranę, nieprzepuszczalną dla jonów tlenkowych oraz elektronów. Do katody ogniwa doprowadzany jest gazowy tlen, który przyłącza cztery elektrony, ładując się w ten sposób ujemnie. Następnie ujemnie naładowane jony tlenkowe reagują z dodatnimi jonami wodoru, w wyniku czego powstaje cząsteczka wody. Z kolei elektrony przepływają przez zewnętrzny obwód, tworząc prąd zewnętrzny ogniwa.
Reakcja zachodząca na anodzie:
Reakcja zachodząca na katodzie:
Reakcja w przestrzeni katodowej: kationy wodorowe reagują z anionami tlenkowymi, dając wodę (w postaci pary lub ciekłej):
Rodzaje ogniw paliwowych
Istnieje możliwość wytwarzania ogniw paliwowych o różnej mocy, co stanowi o ich szerokich możliwościach. Można je z powodzeniem stosować w małych urządzeniach, jak i w elektrowniach o dużej mocy. W poniższej tabeli zestawiono parametry różnych rodzajów ogniw paliwowych.
Symbol | Nazwa | Elektrolit | Temperatura pracy [°C] | Możliwe zastosowania |
---|---|---|---|---|
PEMFC | polimerowe (membranowe) | membrana przewodząca protony | < 100 | pojazdy, agregaty, zasilanie mieszkań |
AFC | alkaliczne | roztwór | < 100 | statki kosmiczne |
PAFC | kwasu fosforowego | (stęż.) | 200 | nowoczesne elektrociepłownie |
MCFC | węglanowe | stopione węglany oraz | 650 | elektrownie, ciepłownie |
SOFC | tlenkowe | ceramika przewodząca | 800‑1000 | elektrownie, ciepłownie |
Indeks górny Źródło: Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. T. 1. Podstawy Fenomenologiczne, Warszawa 2005. Indeks górny koniecŹródło: Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. T. 1. Podstawy Fenomenologiczne, Warszawa 2005.
Słownik
(gr. ḗlektron „bursztyn”, hodós „droga”) chemiczny układ złożony z przewodnika elektronowego (metal, półprzewodnik) stykającego się z przewodnikiem jonowym (najczęściej ciekły elektrolit), w którym może przebiegać reakcja elektrodowa utleniania‑redukcji
związek wielkocząsteczkowy w postaci łańcucha lub sieci powtarzających się merów w liczbie od 1000 i więcej
proces polegający na odrywaniu elektronu lub elektronów od elektrycznie obojętnych atomów lub cząsteczek pod wpływem dostarczonej energii, prowadzący do powstania dodatnio naładowanych jonów (kationów) i swobodnych elektronów
(gr. ánodos „droga w górę”) w ogniwie elektroda, posiadająca ładunek ujemny; zachodzi na niej reakcja ulteniania
(gr. káthodos „schodzenie”) w ogniwie jest to elektroda, posiadająca ładunek dodatni; zachodzi na niej reakcja redukcji
(gr. ḗlektron „bursztyn”, lytós „rozpuszczalny”) substancja, której roztwór przewodzi prąd dzięki obecności swobodnie poruszających się jonów
Bibliografia
Cook B., An Introduction to Fuel Cells and Hydrogen Technology, „Engineering Science and Education Journal” 2003, t. 11, nr 6, s. 205 - 216.
Encyklopedia PWN
Larminie J., Dicks A., Fuel Cell Systems Explained, New Jersey 2000.
Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. Tom 1. Podstawy Fenomenologiczne, Warszawa 2005.