Ogniwa paliwowe są integralną częścią rozwoju przemysłu paliwowego i chociaż początki ich odkrycia datuje się na pierwszą połowę $\text{XIX w.}$, to dopiero po $\text{1961 r.}$ zyskały rozgłos na całym świecie.

Pierwsze ogniwo paliwowe zostało skonstruowane przez angielskiego naukowca Wiliama R. Grove w $\text{1839 r.}$ Było to możliwe dzięki publikacji zasad jego działania $\text{1838 r.}$ przez chemika Chrystiana F. Schönbeina.

R1MHEwlqvLCBs

Na górze ilustracji w naczyniu wypełnionym wodą są dwie elektrody. Nad elektrodą znajdującą się po lewej stronie jest napis O indeks dolny dwa, nad drugą elektrodą H indeks dolny 2. Poniżej są cztery połączone ze sobą naczynia z takimi samymi elektrodami, ale są zanurzone w roztworze kwasu siarkowego(VI). Elektroda z górnego naczynia z O indeks dolny 2 łączy się z elektrodą z naczynia na dole po lewej stronie (skrajną elektrodą) oznaczona jako O indeks dolny 2. Analogicznie jest w przypadku elektrody oznaczonej jako H indeks dolny 2 - łączy się z identyczną elektrodą, ale skrajną, leżącą po prawej stronie.

Większy rozgłos zyskały jednak w drugiej połowie $\text{XX w.}$ 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.

Przełomową datą w rozwoju ogniw paliwowych był również $\text{2005 r.}$, kiedy firma Intelligent Energy wyprodukowała pierwszy na świecie motocykl ENV. Stało się to możliwe dzięki opanowaniu technologi, która pozwalała na zmniejszenie rozmiarów ogniw paliwowych.

Ogniwo paliwowe to ogniwo elektrochemiczne, które stanowi układ złożony z dwóch elektrodelektrodaelektrod i elektrolituelektrolitelektrolitu.

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 ${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{gaz}\right)}$, metanol lub etanol) oraz utleniacz
(${\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{gaz}\right)}$), 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 elektrodelektrodaelektrod (katodykatodakatody i anodyanodaanody) 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 polimerupolimerpolimeru, rozgraniczającej obydwie elektrody.

Paliwem zasilającym ogniwo jest gazowy wodór ${\text{H}}_2$, który – wprowadzany w obszar porowatej anody – ulega jonizacjijonizacjajonizacji 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):

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.

Indeks górny Źródło: Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. T. 1. Podstawy Fenomenologiczne, Warszawa 2005. Indeks górny koniec^{Źródło: Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. T. 1. Podstawy Fenomenologiczne, Warszawa 2005.}

Spróbuj na podstawie zdobytej wiedzy samodzielnie zbudować ogniwo paliwowe. Wykorzystaj do tego symulację poniżej oraz wykonaj ćwiczenia pod nią zawarte.