Przeczytaj
Warto przeczytać
Ogniwo to źródło stałego prądu elektrycznego. Ze względu na proces wytwarzania energii można wymienić trzy podstawowe ich rodzaje: galwaniczne, słoneczne i paliwowe. Tymi właśnie rodzajami zajmiemy się w e‑materiale, który zaczynasz czytać. Nie będziemy więc rozważać prądnic, czyli źródeł, które przetwarzają energię mechaniczną, dostarczaną z wykorzystaniem spadających wód, wiatru, spalania lub reakcji jądrowych.
Przedstawiamy opis działania najbardziej popularnych ogniw. Każde z nich składa się z anody (elektrody ujemnej, która jest źródłem elektronów i na niej zachodzi reakcja utleniania) i katody (elektrody dodatniej, na której zachodzi redukcja utleniacza). Zwróć uwagę, że nazwy elektrod w ogniwach są odwrotne niż w odbiornikach prądu elektrycznego (lampach elektronowych, elementach półprzewodnikowych itp., gdzie katoda to elektroda naładowana ujemnie). Nazwy te zależą bowiem od kierunku przepływu prądu: wewnątrz ogniwa ładunki dodatnie poruszają się od anody do katody, wobec tego na zewnątrz – odwrotnie. Spójrz na Rys. 2.
Ogniwo galwaniczne
Ogniwo takie złożone jest z dwóch różnych elektrod zanurzonych w elektrolicieelektrolicie lub z dwóch różnych naczyń (tzw. półogniw) połączonych kluczem elektrolitycznymkluczem elektrolitycznym tak, jak na Rys. 1. Pomiędzy elektrodami a elektrolitem zachodzą reakcje chemiczne lub procesy fizyczne. Ponieważ elektrody są wykonane z różnych materiałów, te oddziaływania są inne – z przyłączaniem lub oddawaniem elektronów. W konsekwencji każda z elektrod ma inny potencjał, a ich różnica jest źródłem napięcia w ogniwie.
Rozróżniamy dwie podstawowe kategorie ogniw galwanicznych: pierwotne (jednorazowe) i wtórne (wielokrotnego użytku). Pierwsze z nich, zwane potocznie bateriami, po wyczerpaniu zapasów substratów reakcji trzeba wyrzucić. Drugie, zwane akumulatorami, wykorzystują procesy odwracalne i po wyczerpaniu można je z powrotem naładować prądem elektrycznym.
W każdej z tych kategorii istnieje wiele różnych rodzajów ogniw galwanicznych. Poniżej opiszemy tylko jeden z nich, ogniwo Volty, przedstawione na Rys. 2.
Dwie elektrody, cynkowa i miedziana, zanurzone są w wodnym roztworze kwasu siarkowego. Atomy cynku rozpuszczają się w elektrolicie, czyli wchodzą do niego jako jony dodatnie ZnIndeks górny +II+II, zostawiając dwa elektrony na anodzie. Elektrony płyną przez obwód zewnętrzny (zasilany) do katody. Obecne wokół katody jony wodoru z elektrolitu zobojętniają się dzięki przyłączeniu dopływających elektronów i uwalniają się w postaci wodoru cząsteczkowego. Sumarycznie, kwas siarkowy przechodzi w siarczan cynku, według równania:
Ogniwo paliwowe
Zasada działania ogniwa polega na tym, że elektrony docierają od anody do katody przez obwód zewnętrzny (czyli zasilany), a jony pokonują drogę miedzy elektrodami wewnątrz ogniwa, poprzez elektrolit. Wymaga to dostarczenia do anody paliwa, które produkuje elektrony, a do katody utleniacza, który je odbiera (przykład pokazano na Rys. 3). Ponadto elektrolit znajdujący się między biegunami ogniwa musi zawierać zaporę, która uniemożliwia przedostanie się elektronów, a umożliwia transport jonów.
Obecnie najczęściej wykorzystywanym paliwem jest wodór, a utleniaczem - tlen, zawarty chociażby w powietrzu. Anoda pokryta jest katalizatorem ułatwiającym rozbicie cząsteczek wodoru na protony i elektrony, a elektrolitelektrolit przepuszcza wyłącznie protony. Docierają one do katody, gdzie łączą się z przypływającymi z obwodu elektronami oraz dostarczanym tlenem, tworząc wodę, wydalaną następnie na zewnątrz.
Ogniwo słoneczne
W tym ogniwie wykorzystuje się zjawisko fotowoltaiczne, czyli powstawanie różnicy potencjałów pod wpływem promieniowania świetlnego. Fotoogniwo to złącze dwóch półprzewodników, typu p i typu n. Zakładamy, że znasz ich właściwości, a jeśli nie – przeczytaj poświęcone temu e‑materiały „Półprzewodniki typu n” oraz „Półprzewodniki typu p”. Zapoznaj się także z pasmową teorią przewodnictwa, np. w e‑materiale „Co to są półprzewodniki?”. Na styku półprzewodników tych dwóch typów występuje pole elektryczne wynikające z tego, że nośniki większościowe typu p (dziury) dyfundują do obszaru typu n, gdzie ich koncentracja jest niewielka, a nośniki typu n (elektrony) zachowują się odwrotnie. Pokazano to schematycznie na Rys. 4.
Padające na złącze fotony, jeśli mają energię większą od przerwy energetycznej półprzewodnika, powodują powstawanie dodatkowych par elektron‑dziura. Pole elektryczne w obszarze złącza rozsuwa je w różne strony, powodując różnicę potencjałów, czyli powstaje napięcie ogniwa.
Napięcie to ma niewielką wartość, więc dużą liczbę takich ogniw łączy się w ogromne panele fotowoltaiczne.
Cechy charakterystyczne, wady i zalety poszczególnych rodzajów ogniw
Ogniwo galwaniczne
To jedyne źródło, które umożliwia gromadzenie energii elektrycznej. Magazynowana jest ona w formie energii chemicznej. Dzięki temu można ją wykorzystać w dowolnym momencie. Wiąże się z tym jednak także wada, gdyż aby posłużyć się akumulatorem, trzeba go najpierw ładować przez dłuższy czas.
Wada ta nie dotyczy ogniw pierwotnych (baterii), ale - z drugiej strony - są to urządzenia jednorazowego użytku. Po wykorzystaniu stają się odpadami, znacznie zanieczyszczając środowisko naturalne.
Akumulator jest urządzeniem wielokrotnego użytku, ale procesy w nim zachodzące zmieniają skład chemiczny elektrod oraz elektrolitu, przez co ich żywotność jest ograniczona.
Ogniwo paliwowe
Te ogniwa mogą rozpocząć produkcję energii w dowolnej chwili i niemal natychmiast po włączeniu. Pod tym względem mają przewagę nad akumulatorami (które trzeba najpierw naładować).
Ogniwa paliwowe mają bardzo wysoką sprawność i tzw. „gęstość energetyczną”. Są mniejsze i lżejsze od urządzeń tej samej mocy innego rodzaju.
Większość ogniw paliwowych wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie. Nazywamy je wtedy ogniwami wodorowymi. Takie ogniwa są też niemal w pełni ekologiczne. Używanie innych paliw może wprawdzie powodować zanieczyszczenia, ale są one wielokrotnie mniejsze niż w przypadku źródeł konwencjonalnych.
Procesy, które zachodzą w ich wnętrzu nie zmieniają składu chemicznego elektrod i elektrolitu, więc w porównaniu z ogniwami galwanicznymi są to urządzenia długowieczne.
Problemem jest jednak uzyskanie wodoru jako paliwa, gdyż występuje on w przyrodzie głównie w związkach chemicznych. Także przechowywanie czystego wodoru nie jest łatwe, wymaga sprężenia go lub skroplenia, a te procesy są bardzo energochłonne.
Ogniwo słoneczne
To jedyne ogniwo, które nie potrzebuje paliwa lub ładowania do tego, aby produkować energię elektryczną. Samo wytworzenie prądu nie pociąga więc za sobą żadnych kosztów. Nie daje też produktów ubocznych ani odpadów, więc pod tym względem jest urządzeniem ekologicznym.
Pamiętać jednak należy, że samo wyprodukowanie panelu fotowoltaicznego stanowi określone obciążenie dla środowiska. Z kolei mało zbadanym aspektem pozyskiwania energii z układów paneli fotowoltaicznych jest zatrzymywanie w nich promieniowania słonecznego i niedopuszczenie go do dużych obszarów powierzchni Ziemi.
Niewątpliwą wadą ogniwa słonecznego jest zależność jego funkcjonowania od warunków atmosferycznych. Często zdarza się, że przy słonecznej pogodzie produkuje za dużo energii, z kolei w ciemności nie działa w ogóle. Występuje więc konieczność magazynowania nadmiarów energii elektrycznej. Niektóre rozwiązania prowadzą do wykorzystania niepotrzebnej w danej chwili energii, by w procesie elektrolizy wytworzyć wodór, który zostanie potem wykorzystany w ogniwie paliwowym.
W chwili, kiedy piszemy ten materiał, ogniwo słoneczne to jedyne z omawianych, które jest powszechnie stosowane w energetyce. Moc pozostałych dwóch rodzajów jest do tego na razie zbyt mała. Wyjątek to niektóre typy ogniw paliwowych, lecz te pracują w bardzo wysokich temperaturach, rzędu 650 – 1000 stopni Celsjusza.
Słowniczek
(ang.: salt brigde) zwany także mostkiem solnym – łącznik pomiędzy dwoma półogniwami galwanicznymi, zapewniający przepływ jonów, a jednocześnie uniemożliwiający mieszanie się elektrolitów.
(ang.: electrolyte) substancja zdolna do przenoszenia ładunków elektrycznych poprzez jony.