Opole, dn. 20 czerwca 2006 Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Kierunek: Informatyka. Podstawy elektroenergetyki

Podobne dokumenty
Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

OGNIWA PALIWOWE. Zapewniają ekologiczne sposoby wytwarzania energii w dobie szybko wyczerpujących sięźródeł paliw kopalnych.

CHP z ogniwem paliwowym Przegląd rynku

Ogniwa paliwowe (fuel cells)

STAN OBECNY I PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA OGNIW PALIWOWYCH

LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII

Laboratorium ogniw paliwowych i produkcji wodoru

1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

Bezemisyjna energetyka węglowa

IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI ROZPROSZONEJ

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

MATERIAŁY W BUDOWIE OGNIW PALIWOWYCH

INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 2-OP BADANIE OGNIW PALIWOWYCH

OGNIWA PALIWOWE SPOSOBY NA KRYSYS ENERGETYCZNY

Ogniwo paliwowe zasilane ciekłym metanolem Direct Methanol Fuel Cell

Laboratorium odnawialnych źródeł energii. Ćwiczenie nr 5

SILNIKI SPALINOWE 1 PODSTAWY INSTRUKCJA LABORATORYJNA BADANIE NIEKONWENCJONALNEGO NAPĘDU POJAZDU Z OGNIWEM PALIWOWYM

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

Co to są ogniwa paliwowe

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń i jednostek 13 Przedmowa 17 Wstęp Odnawialne źródła energii 72

Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Ogniwa paliwowe - zasada działania

Samochody na wodór. Zastosowanie. Wodór w samochodach. Historia. Przechowywanie wodoru

Stanowisko do badania ogniwa paliwowego Nexa 1,2 kw

ĆWICZENIE 1. Ogniwa paliwowe

Paliwo wodorowe Piotr Tomczyk Wydział Energetyki i Paliw

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

Wykaz ważniejszych oznaczeń i jednostek Przedmowa Wstęp 1. Charakterystyka obecnego stanu środowiska1.1. Wprowadzenie 1.2. Energetyka konwencjonalna

Ogniwa paliwowe FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ. Wykorzystanie wodoru jako nośnika energii

Gospodarka energetyczna skojarzona - elektrociepłownie korzystające z energii wiatru i energii wodorowej.

Ogniwa paliwowe. Rozdział 5

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

Element budowy bezpieczeństwa energetycznego Elbląga i rozwoju rozproszonej Kogeneracji na ziemi elbląskiej

WYKORZYSTANIE OGNIW PALIWOWYCH DO OGRZEWANIA BUDYNKÓW

Przetwarzanie energii: kondensatory

Nowe materiały i ich zastosowania:

Ogniwowa rewolucja. Zimne spalanie

Wybrane Działy Fizyki

Wykorzystanie biogazu w systemach kogeneracyjnych

Proekologiczne odnawialne źródła energii / Witold M. Lewandowski. - Wyd. 4, dodr. Warszawa, Spis treści

Wykład VII. Ogniwa paliwowe

Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

M.o~. l/i. Liceum Ogólnokształcące im. Jana Kochanowskiego w Olecku ul. Kościuszki 29, Olecko

Nowe materiały i ich zastosowania:

Możliwości magazynowania energii elektrycznej z OZE

Wysoka sprawność ogniwa paliwowego zasilanego metanolem

Ogniwa paliwowe komercyjne rozwiązania SOFC

Wyciskamy z cytryny... prąd elektryczny. Wpisany przez Administrator środa, 04 lipca :26 -

Proekologiczne odnawialne źródła energii : kompendium / Witold M. Lewandowski, Ewa Klugmann-Radziemska. Wyd. 1 (WN PWN). Warszawa, cop.

OGNIWA PALIWOWE W GENERACJI ROZPROSZONEJ

Energia słoneczna i cieplna biosfery Pojęcia podstawowe

Przetwarzanie energii: kondensatory

NOWOCZESNE ŹRÓDŁA ENERGII

AUTOBUSY ELEKTRYCZNO-WODOROWE URSUS BUS S.A.

Przykładowe układy napędowe

BADANIA MODELOWE OGNIW PALIWOWYCH TYPU PEM

Zarządzanie Energią i Teleinformatyka

Podstawy elektrochemii

PIROLIZA. GENERALNY DYSTRYBUTOR REDUXCO :: ::

Ekologiczne, odnawialne źródła energii

LNG. Nowoczesne źródło energii. Liquid Natural Gas - Ekologiczne paliwo na dziś i jutro. Systemy. grzewcze

Efektywność energetyczna najlepszym narzędziem do budowy bezpieczeństwa energetycznego Polski

NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII OGNIWA PALIWOWE

Odnawialne źródła energii

Odnawialne Źródła Energii (OZE) PREZENTACJA DLA MIESZKAŃCÓW GMINY ZIELONKI

Kongres Innowacji Polskich KRAKÓW

NUMER CHP-1 DATA Strona 1/5 TEMAT ZWIĘKSZENIE EFEKTYWNOŚCI GOSPODAROWANIA ENERGIĄ POPRZEZ ZASTOSOWANIE KOGENERACJI

KONWERGENCJA ELEKTROENERGETYKI I GAZOWNICTWA vs INTELIGENTNE SIECI ENERGETYCZNE WALDEMAR KAMRAT POLITECHNIKA GDAŃSKA

Czy ogniwa paliwowe staną się przyszłością elektroenergetyki?

Metoda Elementów Skooczonych

Energia słoneczna docierająca do ziemi ma postać fali elektromagnetycznej o różnej długości. W zależności od długości fali wyróżniamy: Promieniowanie

PGNiG TERMIKA nasza energia rozwija miasta

Urządzenie do produkcji elektryczności na potrzeby autonomicznego zasilania stacji pomiarowych w oparciu o zjawisko Seebecka

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

gospodarki energetycznej Cele polityki energetycznej Polski Działania wspierające rozwój energetyki odnawialnej w Polsce...

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Nowy mix energetyczny

Planowanie Projektów Odnawialnych Źródeł Energii Oleje resztkowe

Badania foresightowe w świecie i w kraju

4. OGNIWA GALWANICZNE 1

Technologie wodorowe w gazownictwie Możliwości i Potencjał

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

wodór, magneto hydro dynamikę i ogniowo paliwowe.

WZORU UŻYTKOWEGO PL Y1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 02/

Rozdział 4 Elektrolizery

System handlu emisjami a dywersyfikacja źródeł energii jako wyzwanie dla państw członkowskich Unii Europejskiej. Polski, Czech i Niemiec

TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ VI ENERGY ENGINEERING LABORATORY TECHNOLOGIA KONWERSJI ENERGII W OGNIWACH PALIWOWYCH

Mała przydomowa ELEKTROWNIA WIATROWA SWIND 6000

ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA I OSZCZĘDZANIE ENERGII

Produkcja ciepła i prądu z biogazu jako alternatywa dla lokalnych ciepłowni. mgr inż. Grzegorz Drabik

Otrzymywanie wodoru M

Hist s o t ri r a, a, z a z s a a s d a a a d zi z ał a a ł n a i n a, a

WYSOKOTEMPERATUROWE ZGAZOWANIE BIOMASY. INSTYTUT BADAWCZO-WDROŻENIOWY MASZYN Sp. z o.o.

Jak łapać światło, ujarzmiać rzeki i zaprzęgać wiatr czyli o energii odnawialnej

Alternatywne źródła energii - prezentacja scenariusza zajęć na godzinę do dyspozycji wychowawcy w gimnazjum. Autor: Joanna Łęcka

Budowa i zasada działania akumulatora

UZUPEŁNIENIE DO WYKŁADÓW

Transkrypt:

Opole, dn. 20 czerwca 2006 Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Kierunek: Informatyka Podstawy elektroenergetyki Temat: Ogniwa wodorowe Autor: Prowadzący: Dawid Najgiebauer Informatyka w elektroenergetyce, rok 2005/06, sem. VI dr hab. inż. T. Boczar, prof. PO Ocena:... Uwagi:... O P O L E 2 0 0 6

3 Spisy Spis treści 1. Wstęp... 4 2. Historia ogniw paliwowych... 5 3. Zasada działania ogniw wodorowych... 6 4. Budowa Ogniwa... 8 5. Rodzaje ogniw paliwowych... 10 6. Wpływ ogniw na środowisko... 12 7. Zastosowanie ogniw paliwowych... 13 8. Ogniwa paliwowe a Polska... 15 9. Przyszłość ogniw paliwowych... 16 10. Bibliografia... 17 Spis ilustracji Rysunek 2.1. Pierwszy generator złożony z ogniw paliwowych zaprezentowany przez Williama Grove'a... 5 Rysunek 3.1. Schemat działania ogniwa wodorowego... 6 Rysunek 3.2. Różnica energetyczna wykorzystywana do produkcji energii w ogniwach wodorowych... 7 Rysunek 4.1. Budowa ogniwa paliwowego.... 8 Rysunek 4.2. Łączenie ogniw w pakiet.... 9 Rysunek 5.1. Rodzaje ogniw paliwowych oraz zachodzące w nich reakcje.... 10 Rysunek 6.1. Ogniwo PEM zintegrowane z laptopem, Fraunhofer ISE... 13 Rysunek 6.2. Stacja dokująca DMFC do laptopów... 13 Rysunek 6.3. Kolejne generacje samochodów na wodór: a) Necar 1 o mocy 50kW na wodór gazowy; b) Necar 2 o mocy 50kW na wodór gazowy; c) Necar 3 o mocy 50kW na metanol; d) Necar 4 o mocy 70kW na wodór z butli; e) Necar 5 o mocy 75kW na metanol i akumulatory ładowane przy hamowaniu; f) Mazda Premacy FC-EV z zespolem o mocy 75 kw na metanol... 14 Rysunek 6.4. Ballard PEMFC... 14

Wstęp 4 1. Wstęp Od samego początku wynalezienia energii elektrycznej, trwały poszukiwania w dziedzinie sposobu jej taniego wytwarzania. Jak się okazało, surowców do jej produkcji nie brakuje, jednak dopiero w ostatnich czasach zaczęto zwracać uwagę na jeszcze jeden istotny aspekt w produkcji energii elektrycznej jej czystość. Dlatego to właśnie uwaga społeczeństwa zwraca się w stronę badań nad alternatywnymi źródłami energii elektrycznej, które w jak najmniejszym stopniu będą zanieczyszczać środowisko. Jeden ze sposobów na pozyskiwanie energii w sposób czysty i wydajny dostarczają ogniwa paliwowe. Ogniwa paliwowe (ang. Fuel Cell) są to urządzenia, których zadaniem jest odzyskiwanie prądu elektrycznego z różnego typu przemian chemicznych. Szczególnym przypadkiem tych ogniw są ogniwa wodorowe, w których wodór jest istotnym elementem biorącym czynny udział w produkcji energii. To właśnie w nich upatruje się źródła energii, które zastąpi bardzo wiele dziś stosowanych głównie w motoryzacji oraz elektronice. Choć badania nie są obecnie jeszcze ukończone, to już wiadomo, że ogniwa paliwowe odegrają w przyszłości ważną rolę w zaopatrywaniu i transporcie energii.

Historia ogniw paliwowych 5 2. Historia ogniw paliwowych Historia ogniw paliwowych sięga końca XIX wieku, kiedy to w roku 1838 szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein odkrył, a na początku następnego roku opisał zasadę działania ogniw wodorowych. Na podstawie tego walijski sędzia i uczony sir William Grove stworzył w 1842 r. pierwsze działające ogniwo paliwowe. Pierwszy generator złożony z ogniw paliwowych został zaprezentował przez Grove a w 1844/1845 roku. Składał się on z 10 ogniw paliwowych połączonych w serię i był zasilany wodorem powstającym w reakcji cynku z kwasem. Niestety ogniwo paliwowe zostało wkrótce przyćmione na długie lata przez rozwój prądnicy elektrycznej wynalezionej w 1866 r. przez Wernera von Siemens. Rysunek 2.1. Pierwszy generator złożony z ogniw paliwowych zaprezentowany przez Williama Grove'a. Ze względu na duże i łatwo dostępne zasoby ropy naftowej oraz z powodu wynalezienia silnika spalinowego ogniwa paliwowe nie znalazły praktycznego zastosowania aż do lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy to Stany Zjednoczone wykorzystały je jako źródło elektryczności i wody w swoim programie kosmicznym m.in. w pojazdach kosmicznych Apollo, Gemini, Skylab. Ale dopiero globalny kryzys energetyczny, który wystąpił w 1973 r. stał się bodźcem do zintensyfikowania badań nad ogniwami i pozwolił im przeżyć drugi renesans. Jeszcze pod koniec lat 80-tych ogniwa paliwowe lekceważono z powodu ich wysokiej ceny. Koszt takich urządzeń był, astronomiczny i sięgał 100 000 dolarów za kilowat. Jednak od lat dziewięćdziesiątych nastąpił duży przełom w dziedzinie ogniw, a jednocześnie rozwój technologii taniego pozyskiwania wodoru. W roku 1994 koncern Daimler Chrysler zaprezentował elektryczne samochód na wodór gazowy o nazwie Necar 1; zasilany on był ogniwem o mocy 50 kw. Instalacja zajmowała prawie całą przestrzeń bagażową tego pojazdu. Rozwój ogniw paliwowych jest spowalniany obawami wobec wodoru jako paliwa. Wierzy się powszechnie, że wodór jest niezwykle wybuchowym i niebezpiecznym gazem. Przekonanie to bierze swoje źródło z katastrofy sterowca Hidenburg w 1937 r., który zapalił się i spadł w Lakehurst w USA. 35 z 97 pasażerów zginęło w wyniku, jak się powszechnie sądzi, eksplozji wodoru. Prawdziwą przyczyn pożaru był wybuchowy skład farby, która była mieszanką aluminium, żelaza i tlenu. Większość ludzi zginęła wyskakując, a nie od płomieni. W przeciwieństwie do większości gazów wodór jest lżejszy od powietrza i jego stężenie szybko spada do bezpiecznego, jeżeli nastąpi przeciek. Wodór nie jest toksyczny i jest mniej palny niż benzyna. Rysunek 2.2. Katastrofa Hindenburg'a zahamowała rozwój ogniw wodorowych.

Zasada działania ogniw wodorowych 6 3. Zasada działania ogniw wodorowych Ogniwa wodorowe do produkcji energii elektrycznej wykorzystują wodór oraz tlen. Ten pierwszy pozyskuje się z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia Słońca, hydroenergia, biomasa, i z kopalnych - przede wszystkim z gazu ziemnego przez system tzw. reformingu. Wodór pozyskiwany z paliw kopalnych jest, jak na razie, tańszy. Tlen najczęściej pobiera się z powietrza. 2H 2 + O 2 2H 2 O + PRĄD + CIEPŁO Rysunek 3.1. Schemat działania ogniwa wodorowego. Ogniwo paliwowe jest urządzeniem do elektrochemicznej konwersji energii. Zamienia ono energię chemiczną w energię elektryczną poprzez dwie odseparowane reakcje elektrochemiczne. W zasilanym wodorem ogniwie paliwowym z elektrolitem w postaci membrany polimerowej (PEMFC) wodór jest utleniany do protonów i elektronów na anodzie (H 2 2H + + 2e - ). Protony przemieszczają się poprzez membranę do katody. Dzięki izolacyjnym właściwościom membrany elektrony muszą wędrować dookoła przez zewnętrzny obwód elektryczny. Na katodzie tlen reaguje z protonami tworząc wodę, która jest jedynym produktem ubocznym ( spalinami ) w wodorowym PEMFC (½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O). Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Siłą napędową w ogniwie paliwowym jest naturalna dążność do stanów o niższej chemicznej energii swobodnej. Wodór i tlen są w swojej obecności niestabilne i spontanicznie tworzą wodę w reakcji redoks 1. Produkt (woda) ma niższą energię swobodną niż substraty (wodór i tlen) i stąd jest uprzywilejowana przez układ (naturę). Wymuszając redukcje i utlenianie po przeciwnych stronach elektrolitu różnica energetyczna pomiędzy substratami i produktem może zostać przetworzona w energię elektryczną. 1 Reakcja redoks reakcja chemiczna, w której dochodzi zarówno do redukcji jak i utleniania.

Zasada działania ogniw wodorowych 7 Rysunek 3.2. Różnica energetyczna wykorzystywana do produkcji energii w ogniwach wodorowych. Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów, jak ma to miejsce w tradycyjnych ogniwach galwanicznych. Jedynym ograniczeniem ilości energii, którą może wytworzyć ogniwo paliwowe jest pojemność zbiornika na paliwo. Proces ładowania polega jedynie na uzupełnieniu paliwa. Konstrukcja ogniw zapewnia im dużo większą sprawność w przetwarzaniu energii chemicznej na elektryczną niż w silnikach spalinowych. Maksymalne napięcie pojedynczego ogniwa nie przekracza 1V. W praktyce wiele ogniw musi pracować w połączeniu. Zazwyczaj łączy się kilka ogniw w pakiet (z ang. stack). Zmieniając liczbę i wielkość ogniw, system ogniw paliwowych może zostać dostrojony do niemal każdych wymagań.

Budowa Ogniwa 8 4. Budowa Ogniwa Najważniejsze części w ogniwie paliwowym to elektrolit i elektrody. W kontrukcji ważne jest także równomierne rozprowadzanie reagentów na całej powierzchni ogniwa. Rysunek poniżej przedstawia budowę ogniwa paliwowego. Rysunek 4.1. Budowa ogniwa paliwowego. Elektrolit pełni 3 główne funkcje w ogniwie paliwowym, jest przewodnikiem jonów, izolatorem elektronów i fizycznie separuje reagenty anodowe od katodowych. Jony muszą przechodzić przez membranę w celu zachowania równowagi pomiędzy anodą i katodą. Jakikolwiek przepływ prądu lub reagentów przez elektrolit pogarsza działanie ogniwa, stąd właściwości elektrolitu mają bardzo duży wpływ na działanie ogniwa paliwowego. Elektrody reakcje elektrochemiczne zachodzą na powierzchni elektrod. Paliwo ulega utlenieniu na anodzie, a tlen jest redukowany na katodzie. Połączone membrana i elektrody nazwa się w języku angielskim membrane electrode assembly (MEA). W niskotemperaturowym ogniwie paliwowym należy zastosować metale szlachetne, aby przyspieszyć reakcję. Platyna jest najszerzej stosowanym katalizatorem, czasem w połączeniu z innymi metalami. W wyższych temperaturach (MCFC i SOFC) można zastosować tańsze materiały. Warstwy Dyfuzyjne (Gas Diffusion Layers (GDL)) są stosowane tylko w niskotemperaturowych ogniwach paliwowych. Odpowiadają za rozprowadzenie reagentów i odprowadzenie produktów z powierzchni elektrod. Warstwy dyfuzyjne są optymalizowane przez nadanie im odpowiedniej hydrofobowości. Ponieważ umieszcza się je pomiędzy elektrodami i talerzami muszą przewodzić prąd. Talerze (Flow fields/bipolar plates) zapewniają rozprowadzenie paliwa i utleniacza (powietrze) po całej powierzchni ogniwa. Kanaliki o różnych kształtach serpentyna, równoległy i inne są wycinane w talerzu, by mógł nimi płynąć wodór lub powietrze. Dla różnych typów ogniw stosuje się różne materiały. Przykładowo grafit, nierdzewna stal i tworzywa sztuczne dla niskotemperaturowych ogniw paliwowych, a ceramika w wyższych temperaturach. Talerze pełnią także funkcję kolektorów prądu. W celu wykonania układów ogniw paliwowych o większej mocy łączy się kilka ogniw w pakiet. W takim wypadku talerze mają kanały po obu stronach i nazywa się je talerzami dwubiegunowymi (bipolar).

Budowa Ogniwa 9 Rysunek 4.2. Łączenie ogniw w pakiet. Do działania poza samymi ogniwami potrzebne są jeszcze Zbiornik paliwa, pompy, wiatrak i jednostka kontrolna. W przeciwieństwie do baterii, paliwo jest przechowywane oddzielnie od konwertora energii. Wodór można przechowywać w zbiornikach ciśnieniowych, w postaci wodorków metalu, w postaci ciekłej lub związany chemicznie, np. jako metan lub metanol. W większości wypadków utleniaczem, czy źródłem tlenu jest powietrze z otoczenia. Pompy i dmuchawy dostarczają paliwo i powietrze do ogniwa. W niektórych ogniwach paliwowych wilgotność elektrolitu ma decydujący wpływ na przewodnictwo protonów, a stąd na łączną przewodność. Dlatego używa się nawilżacza, aby dodać wodę do gazu i kontrolować stopień wilgotności w ogniwie i membranie. Choć teoretycznie straty w ogniwie są nieduże, podczas pracy wytwarza się dość dużo ciepła. Jeśli ogólna wydajność wynosi 50%, to moc cieplna równa się elektrycznej. Z tego powodu system chłodzący, wodny lub powietrzny, musi chronić ogniwo przed przegrzaniem. Wszystkie powyższe części składowe muszą być zarządzane przez jednostkę sterującą, która zapewnia stabilną pracę całego układu ogniw paliwowych.

Rodzaje ogniw paliwowych 10 5. Rodzaje ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe można podzielić ze względu na temperaturę pracy, rodzaj elektrolitu i rodzaj przewodzących jonów. Grupa ogniw niskotemperaturowych składa się z: PEMFC, PAFC i AFC. Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem i ogniwo ze stopionym węglanem to ogniwa wysokotemperaturowe. Obecnie stosuje się następujące ogniwa: alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline fuel cells), ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel cells), ogniwo z membraną do wymiany protonów (ang. Proton-exchange membrane fuel cell), ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami (ang. Molten-carbonate fuel cells), ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (ang. Solid-oxide fuel cells), odwracalne ogniwo paliwowe (ang. Reversible Fuel Cell), bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang. Direct-methanol fuel cell). Rysunek 5.1. Rodzaje ogniw paliwowych oraz zachodzące w nich reakcje. Typowe właściwości ogniw paliwowych różnych rodzajów są wymienione w poniższej tabeli.

Rodzaje ogniw paliwowych 11 Tabela 5.1. Rodzaje ogniw paliwowych Temperatura działania Elektrolit Paliwa AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC 70-220 C do 120 C 130-220 C 600-800 C 700-1000 C Zasada potasowa (KOH) Czysty wodór Membrana polimerowa Wodór + reformowany metanol Stężony kwas fosforowy Wodór, gaz ziemny Stopiony węglan Li/K Wodór, gaz ziemny Ceramika tlenkowa Wodór, gaz ziemny Zakres mocy Do 12 kw Do 250 kw Do 1 MW Do 2 MW Do 10 MW Zastosowanie Kosmonautyka, łodzie podwodne Przenośne, transportowe, APU 1, CHP 2 Małe elektrownie, APU 1, CHP 2 Elektrownie Elektrownie, APU 1, CHP 2 1 APU Auxiliary Power Unit, pomocnicza jednostka mocy 2 CHP Combined Heat and Power, kogeneracja elektryczności i ciepła

Wpływ ogniw na środowisko 12 6. Wpływ ogniw na środowisko 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 wydajność, to w połączeniu z tym, że przy stosowaniu w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod dużymi ciśnieniami to całkowita wydajność ogniw może spaść poniżej poziomu najwydajniejszych z silników spalinowych. Inną metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu w procesie reformingu parowego, który ma wydajność 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.

Zastosowanie ogniw paliwowych 13 7. Zastosowanie ogniw paliwowych Prostota i elastyczność ogniw paliwowych czynią je interesującymi we wszystkich aspektach konsumpcji energii. Zastosowania ogniw paliwowych dzieli się z reguły na: przenośne, transportowe i stacjonarne. W zakresie niskich mocy, od kilku miliwatów do kilku setek watów, ogniwa paliwowe są potencjalnym substytutem dla dzisiejszych ładowalnych baterii. Rynek urządzeń przenośnych wzrasta bardzo szybko w kilku ostatnich dziesięcioleciach. Laptopy, telefony przenośne, ręczne kamery i inne małe urządzenia elektroniczne są sprzedawane w milionach egzemplarzy każdego roku. Rysunek 7.1. Ogniwo PEM zintegrowane z laptopem, Fraunhofer ISE. Rysunek 7.2. Stacja dokująca DMFC do laptopów. W zakresie zastosowań transportowych obecnie zauważyć można, że niemal wszystkie firmy samochodowe są zaangażowane w badania nad ogniwami paliwowymi. W ostatnich dziesięcioleciach poszukuje się bardziej przyjaznych środowisku rozwiązań niż silnik spalinowy. W porównaniu z silnikiem spalinowym ogniwa paliwowe nie produkują praktycznie zanieczyszczeń takich jak tlenki azotu i tlenki siarki. Ilość dwutlenku węgla zależy od wybranego paliwa, ale jest zawsze mniejsza niż w silniku spalinowym, ponieważ

Zastosowanie ogniw paliwowych 14 ogólna wydajność jest wyższa dla ogniw paliwowych. Zasadniczo udowodniono, że możliwe jest zastosowanie ogniw paliwowych w samochodach. Dziś głównym zagadnieniem jest obniżenie kosztów. Najdroższe w ogniwie są metale szlachetne i polimerowa membrana. Rysunek 7.3. Kolejne generacje samochodów na wodór: a) Necar 1 o mocy 50kW na wodór gazowy; b) Necar 2 o mocy 50kW na wodór gazowy; c) Necar 3 o mocy 50kW na metanol; d) Necar 4 o mocy 70kW na wodór z butli; e) Necar 5 o mocy 75kW na metanol i akumulatory ładowane przy hamowaniu; f) Mazda Premacy FC-EV z zespolem o mocy 75 kw na metanol. Systemy stacjonarne to zarówno małe domowe jednostki produkujące prąd i ciepło lub pomocnicze źródła prądu (APU) o mocach rzędu kilowatów, a także duże elektrownie o mocy kilku megawatów. Tego typu urządzenia już działaj w szpitalach, bazach wojskowych, budynkach biurowych oraz w przemyśle. Ogniwa z tej grupy można zastosować wszędzie tam, gdzie brak jest podłączenia tymczasowych instalacji do sieci energetycznej, czy tam, gdzie wymaga się system awaryjnego zasilania o dużej niezawodności. Ale obecnie wzrasta liczba firm pracujących także nad systemami o małej mocy dla gospodarstw domowych. Rysunek 7.4. Ballard PEMFC. Na Hawajach ruszył demonstracyjny program prowadzony przez amerykańską armię dotyczący stosowania ogniw paliwowych do zasilania gospodarstw domowych. Program ten trwający rok ma na celu pokazanie korzyści płynących ze stosowania tego typu źródła energii oraz nabraniu doświadczenia w tej dziedzinie. Hawajskie ogniwa paliwowe wykorzystują membranę wymiany protonów do wyciągania wodoru ze wzbogaconego propanu. Wodór łączy się z tlenem pobieranym z powietrza, w wyniku czego wyzwolona zostaje energia. Produktem ubocznym jest woda oraz bardzo małe ilości zanieczyszczeń. Kompletny system paliw wodorowych, który jest wielkości dwóch lodówek produkuje wystarczającą ilość energii elektrycznej i gorącej wody, aby zaspokoić potrzeby dużego gospodarstwa domowego. Ogniwa paliwowe generują do 5 kw energii, która jest wprowadzana do generalnego systemu dystrybucji elektryczności. Dotychczasowym problemem jest dość uciążliwy hałas towarzyszący pracy urządzenia.

Ogniwa paliwowe a Polska 15 8. Ogniwa paliwowe a Polska W Polsce prowadzi się badania nad pozyskiwaniem wodoru z węgla, np. w Głównym Instytucie Górnictwa. Ciągle jednak brak wyraźnego, odgórnego sygnału, że powinniśmy iść w tym kierunku. Potrzebne są także większe dotacje na badania, a wsparcie powinno uwzględniać wszystkie etapy od badań podstawowych po wdrożenia. Zdaniem Zdzisława Matysiaka prezesa Stowarzyszenia Eko-Energia Cieszyn i założyciela Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, w Polsce potrzebna jest ustawa o partnerstwie publiczno-prywatnym, dzięki której można by budować programy badawcze i wdrożeniowe. Poszczególne instytuty coś robią w tym zakresie, rozwija się współpraca międzynarodowa, ale w naszym kraju nie ma ogólnego klimatu. Nie widać zaangażowania rządu, który widziałby w tym przyszłość mówi. Szkoda, tym bardziej, że posiadamy potencjał intelektualny, a gospodarka wodorowa to, oprócz ochrony środowiska, również niezależność energetyczna dodaje.

Przyszłość ogniw paliwowych 16 9. Przyszłość ogniw paliwowych Obecnie najważniejszym celem badań nad ogniwami paliwowymi na świecie jest obniżenie kosztów. Duże zainteresowanie wykazują tu korporacje samochodowe. Przełomowy może być rok 2010, kiedy to upowszechnią się pojazdy zasilane ogniwami paliwowymi. Upowszechnienie się elektrowni wodorowych pozwoliłoby także na realizowanie systemu energetyki rozproszonej dużo mniej narażonej na ataki terrorystyczne oraz awarie. Budowa domowego ogniwa wodorowego to nie kaprys bogatych Japończyków, którzy nie wiedzą, na co wydać pieniądze. Łatwo sobie wyobrazić, że w ciągu 50 lat liczba ludności na świecie podwoi się, a produkt na głowę mieszkańca wzrośnie pięciokrotnie. Zakładając, że nasze lodówki i telewizory pracowałyby z taką samą wydajnością i na każdego dobrze zarabiającego mieszkańca Ziemi przypadałoby ich tyle samo co dzisiaj, zużycie energii wzrosłoby dziesięć razy! Nie osiągniemy tego bez całkowitego zniszczenia środowiska. Pozostają także problemy związane ze starzeniem się ogniw paliwowych. Choć chemicznie ogniwo nie ulega degradacji, to jednak zanieczyszczenia zawarte w paliwie powodują stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieuchronnie ogranicza przepływ jonów wodoru i tlenu, zmniejszając wydajność prądową. Konstruktorzy starają się stworzyć zestawy o żywotności nie mniejszej niż 40 000 godzin (co będzie oznaczało konieczność wymiany całego bloku co 5-7 lat). Szuka się także zastosowania ogniw jako źródła prądu w czasie szczytowym lub gdy pierwotne źródło energii jest niewystarczające. Przykładem mogą być projekty tworzenia hybryd elektrowni wiatrowowodorowych. W przypadku silnych wiatrów nadmiar produkowanej energii może być przeznaczany na pozyskiwanie wodoru, z którego może być produkowana energia w okresach słabszych wiatrów. Problemem do rozwiązania pozostaje także kwestia, że niektóre z ogniw do uruchomienia lub zatrzymania potrzebuje odpowiedniego czasu i temperatury, co nie pozwala zawsze na pozyskiwanie energii dokładnie w momencie, kiedy jest ona potrzebna. Problem ten szczególnie dotyczy średnich i dużych wysokotemperaturowych ogniw.

Bibliografia 17 10. Bibliografia 1. http://pl.wikipedia.org/wiki/ogniwo_paliwowe 2. http://www.laboratoria.net/pl/modules.php?name=news&file=article&sid=742 3. http://www.ekologika.pl/modules.php?name=news&file=article&sid=540 4. http://www.przewody.pl/publikacje/publikacje.asp?id=594 5. http://www.mt.com.pl/num/10_99/ogniwo.htm 6. http://www.fcway.com/index_pl.htm 7. http://www.mojaenergia.pl/strony/1/i/417.php