OGNIWA PALIWOWE Ogniwa paliwowe są urządzeniami generującymi prąd elektryczny dzięki odwróceniu zjawiska elektrolizy. Pierwszy raz zademonstrował to w 1839 r William R. Grove w swoim doświadczeniu które obrazowało moŝliwość syntezy wodoru z tlenem w obecności katalizatora i fakt Ŝe towarzyszy temu powstawanie prądu elektrycznego. 1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO ANODA KATODA Reakcja połówkowa zachodząca po stronie anody: H 2 2H + + 2e- Reakcja połówkowa zachodząca po stronie katody: 1/2 O 2 + 2H + + 2e- H 2 O
2. RODZAJE OGNIW PALIWOWYCH Rozwijane są róŝne typy ogniw paliwowych. Generalnie są one klasyfikowane ze względu na rodzaj uŝywanego elektrolitu, poniewaŝ determinuje on temperaturę działania układu oraz rodzaj paliwa, które moŝe być wykorzystane. 2.1 ALKAICZNE OGNIWA PALIWOWE Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku sodu lub potasu. Jako paliwo jest na ogół wykorzystywany gazowy wodór, natomiast utleniaczem jest czysty tlen lub teŝ tlen zawarty w powietrzu. Elektrody są wykonane z węgla oraz z metalu, np. niklu. Produktem reakcji jest woda, która musi być usuwana z systemu w procesie parowania. Znaczącym, praktycznym problemem jest atakowanie przez gorący, alkaliczny elektrolit polimerów, z których wykonane są membrany. Ich wydajność sięga od 30 do 80 procent. 2.2 OGNIWA PALIWOWE Z KWASEM FOSFOROWYM Elektrolit zawiera kwas ortofosforowy. Jako paliwo jest wykorzystywany wodór, który moŝe być zanieczyszczony dwutlenkiem węgla. Utleniaczem jest tlen lub powietrze. Elektrody są utworzone z węgla i ułoŝone w specjalny, szeregowy układ, którego "rusztowanie" jest wykonane z grafitu. Istotne problemy konstrukcyjne w zakresie przyłączenia urządzeń towarzyszących (wtyczki, czujniki, pompy) powoduje wysoka temperatura pracy oraz agresywny elektrolit. Wydajność wytwarzania energii elektrycznej wynosi ok. 40 proc., a jeśli para wodna zostanie wykorzystana do wytwarzania prądu w kogeneracji - aŝ 85%..
2.3 OGNIWA PALIWOWE ZE STAŁYM TLENKIEM Ogniwa ze stałym tlenkiem ze względu na duŝą moc oraz wysoką temperaturę pracy mogą znaleźć zastosowanie w duŝych stacjach energetycznych. Zamiast ciekłego elektrolitu zazwyczaj stosowany jest stały materiał ceramiczny. Wydajność procesu sięga 60 %. Prezentowane przez producentów urządzenia osiągają moc nawet 220 kw. Wysoka temperatura pracy umoŝliwia budowę urządzeń pracujących w kogeneracji - gorące gazy wydzielane w procesie mogą zostać wykorzystane do wytwarzania pary wodnej, napędzającej towarzyszącą turbinę. 2.4 OGNIWA PALIWOWE ZE STOPIONYM WĘGLANEM Jako paliwo moŝe być uŝywana mieszanina wodoru oraz tlenku węgla, gaz ziemny, propan, produkty gazyfikacji węgla i in.. Elektrolitem jest roztopiony węglan potasowolitowy. Testowane były juŝ układy o mocy od 10 kw do 2 MW. Wydajność układów sięga 45 proc. Wysoka temperatura pracy powoduje szereg problemów konstrukcyjnych.
3. ZESTAWIENIE PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW OGNIW RODZAJ OGNIWA TEMPERATURA PRACY ( C) REAKCJE ELEKTROCHEMICZNE Polymer Electrolyte/ Membrane (PEM) 60-100 Anoda: H 2 2H + + 2e- Katoda: 1/2 O 2 + 2H + + 2e- H 2 O Ogniwo: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O Alkaline (AFC) 90-100 Anoda: H 2 + 2(OH)- 2H 2 O + 2e- Katoda: 1/2 O 2 + H 2 O + 2e- 2(OH)- Ogniwo: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O Phosphoric Acid (PAFC) 175-200 Anoda: H 2 2H + + 2e- Katoda: 1/2 O 2 + 2H + + 2e- H 2 O Ogniwo: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O Molten Carbonate (MCFC) 600-1000 Anoda: H 2 + CO3+2- H 2 O + CO 2 + 2e- Katoda: 1/2 O 2 + CO 2 + 2e- CO3+ 2- Ogniwo: H 2 + 1/2 O 2 + CO 2 H 2 O + CO 2 Solid Oxide (SOFC) 600-1000 Anoda: H 2 + O 2 - H 2 O + 2e- Katoda: 1/2 O 2 + 2e- O 2 - Ogniwol: H2 + 1/2 O 2 H 2 O
4. BILANS ENERGII W OGNIWIE PALIWOWYM Energia chemiczna ogniwa = Energia elektryczna + Energia cieplna Ogniwo paliwowe H 2 /O 2 pracujące w warunkach idealnych (obwód otwarty) powinno dostarczać napięcie o wartości 1.16 V przy zerowej wartości natęŝenia prądu, temperaturze 80 0 C i ciśnieniu 1 atm. Dobrą miarą sprawności przemiany energii dla takiego ogniwa jest stosunek aktualnej wartości napięcia do maksymalnej wartości teoretycznej. Wobec tego w ogniwie paliwowym generującym napięcie o wartości 0.7 V, 66% energii jest to energia elektryczna, natomiast resztę stanowi energia wydzielana w postaci ciepła, wytwarzanego w skutek reakcji elektrochemicznych. ILOŚĆ CIEPŁA GENEROWANA W PRACUJĄCYM OGNIWIE Rozpatrzmy ogniwo pracujące w typowych warunkach (80 0 C, 1 atm), generujące napięcie 0.7 V gęstości prądu 0.6A/cm 2, dla całkowitego natęŝenia prądu 60A. Moc cieplna = Moc całkowita Moc elektryczna Pciep= Pcałk Pelektr = (Videal x I) (V x I) = (Videal V) x I = (1.16 V 0.7 V) x 60 A = 0.46 V x 60 coulombs/sec= 1650 J/min
5. PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI OGNIWA PALIWOWEGO 1 Napięcie [V] 2 3 4 Gęstość prądu [ A/cm 2 ] 1 Wartość napięcia dla obiegu otwartego 1.16 V 2 Straty wywołane przebiegiem reakcji elektrochemicznych 3 Straty wywołane rezystancją poszczególnych elementów ogniwa 4 Straty wywołane zakłóceniami w procesach dyfuzji paliwa jak i utleniacza
4. ŁĄCZENIE OGNIW PALIWOWYCH W STOS Pojedyncze ogniwo pracujące w warunkach rzeczywistych moŝe wytworzyć napięcie około 0.7 V. Jest to zbyt małe napięcie z punktu widzenia zastosowania takiego ogniwa w praktyce. Dlatego w celu uzyskania wyŝszych napięć, łączy się pojedyncze ogniwa w tzw. stosy.
5. OGNIWA PALIWOWE W RZECZYWISTOŚCI PoniŜej pokazane są przykłady ogniw paliwowych stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym (General Motors/Opel fuel cell program, 1997-2000) Gen 3, Moc 41kW Gen7, Moc 120kW Gen4, Moc 23kW
6. SPOSOBY POZYSKIWANIA WODORU 6.1 UKŁADY ZASILANE METANOLEM W SPOSÓB POŚREDNI 6.2 UKŁADY OGNIW PALIWOWYCH Z REGENERACJĄ ENERGII Odbiornik energii Zbiornik wodoru Zbiornik tlenu Elektrolizer Ogniwo Paliwowe Zbiornik wody
7. ZASTOSOWANIE OGNIW PALIWOWYCH 7.1 STACJONARNE WYTWARZANIE ENERGII Elektrownia pracująca na ogniwach paliwowych Ogniwo paliwowe typu PEMFC o mocy 250 kw słuŝące jako lokalne źródło energii elektrycznej, zamontowane w Berlinie, 2000.
7.2 ZASTOSOWANIE OGNIW PALIWOWYCH W ELEKTRONICZNYCH URZĄDZENIACH PRZENOŚNYCH Ogniwo paliwowe zastosowane w laptopie pozwala na jego pracę do 20 godzin Ogniwo paliwowe zasilające amatorską kamerę video
7.3 ZASTOSOWANIE OGNIW PALIWOWYCH W PRZEMYŚLE SAMOCHODOWYM Ogniwa paliwowe zostały wykorzystane jako jednostki słuŝące do napędu silników elektrycznych w pojazdach samochodowych. Powstały juŝ pierwsze prototypy samochodów osobowych, dostawczych jak i pojazdów autobusowych. Podstawową zaletą jest tutaj zupełny brak emisji szkodliwych związków do otoczenia takich jak CO 2 czy NO x. PoniŜej przedstawiona jest tabela z podstawowymi parametrami samochodu osobowego marki OPEL Zafira. Marka samochodu Wymiary Maksymalna prędkość Rodzaj i parametry ogniwa Moc i moment obrotowy silnika Rodzaj paliwa Magazynowanie wodoru Maksymalny zakres jazdy Opel Zafira 4317mm(d) x 1742mm(s) x 1684mm(w) 140 km/h (90 mi/h) PEMFC, 200 cells, 125 200V 60 KW, 251 305 Nm Bezpośrednio czysty wodór Ciekły wodór, zbiornik 75l/5kg 400 km, (250 mi) Ogniowo paliwowe PEMFC Opel Zafira zasilany ogniwem paliwowym PEMFC
Autobus zasilany ogniwem paliwowym Mikrobus zasilany ogniwem paliwowym