Ogniwa paliwowe (fuel cells)

Wstęp.

Ogniwa paliwowe (ogniwa wodorowe) są urządzeniami elektro – chemicznymi, stanowiącymi przełom w dziedzinie źródeł energii, pozwalają na uzyskanie energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w nich reakcji chemicznej.

Ogniwa charakteryzują się dużą czystością, sprawnością i gęstością energetyczną. Technologia ogniw paliwowych jest intensywnie rozwijana w krajach UE, Japonii, USA. Powstanie infrastruktury wodorowej i wdrożenie technologii ogniw paliwowych w urządzeniach codziennego użytku szacuje się na rok 2015.

Komercyjne produkty wykorzystujące ogniwa paliwowe do generacji energii elektrycznej i ciepła są dostępne już od dawna. Ogniwa paliwowe stosowano już w ramach programu kosmicznego Apollo, gdzie wykorzystywano je do generacji energii elektrycznej i ciepłej wody na pokładzie statku kosmicznego. Jednak dopiero na przestrzeni kilku ostatnich lat technologia ogniw paliwowych zaczęła się szybko rozwijać na rynku konsumenckim. Szybki rozwój ogniw paliwowych spowodowało zapotrzebowanie na wysokowydajne i czyste źródła energii w dobie szybko wyczerpujących się źródeł paliw kopalnych.

Wodór i inne paliwa wysokowodorowe będące paliwem dla ogniw paliwowych można uzyskiwać wykorzystując alternatywne źródła energii takie jak energia słoneczna, energia wiatru, oraz ze źródła biologiczne: np. bakterie z rodzaju clostridium uzyskujące wodór z odpadów biologicznych. Badania nad pozyskiwaniem wodoru mają na celu uniezależnienie się społeczeństwa częściowo lub całkowicie od paliw kopalnych.

Obecnie ogniwa paliwowe stosuje się do budowy baterii dla urządzeń przenośnych, generatorów małej i dużej mocy, elektrowni stacjonarnych, pojazdów i wielu innych. Ogniwa paliwowe z powodzeniem zastępują źródła energii stosowane w innych dziedzinach. Badania i testy prototypów produktów wykorzystujących ogniwa paliwowe do generacji energii, potwierdzają wysoką wydajność i jakość opisywanej technologii.

Ogniwa paliwowe 1Daimler Chrysler B-Class F-Cell

Ogniwa paliwowe 2

 Fujitsu DMFC Laptop

Ogniwa paliwowe 3

 FuelCell Energy DFC 300

 

Historia ogniw paliwowych

Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein. Opublikował ją w styczniowym wydaniu 1839 „Philosophical Magazine” (Magazynu Filozoficznego) i na podstawie tej pracy walijski naukowiec sir William Grove stworzył pierwsze działające ogniwo paliwowe. Ogniwa te nie znalazły jednak praktycznego zastosowania aż do lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy to Stany Zjednoczone wykorzystały ogniwa z membranami polimerowymi, albo ASC jako źródło elektryczności i wody w swoim programie kosmicznym. W ogniwa paliwowe zostały wyposażone takie statki jak np. Gemini 5 czy seria Apollo, czy stacja kosmiczna Skylab. Dodatkowym atutem ogniw była produkcja wody pitnej.

Do produkcji ogniw paliwowych stosowano wówczas niezwykle drogie materiały, a do ich działania były potrzebne bardzo wysokie temperatury oraz tlen i wodór o niskim poziomie zanieczyszczenia. Koszt ich wytworzenia sięgał wówczas 100 000 dolarów za kilowat, jednak zdecydowano się na ich użycie, gdyż wodór i tlen wykorzystywano jako paliwo i dzięki temu na statkach kosmicznych były dostępne w dużych ilościach.

Dalszy rozwój technologiczny w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych (między innymi wykorzystanie membrany polimerowej np. Nafionu jako elektrolitu oraz zmniejszenie ilości platyny koniecznej do produkcji ogniw) umożliwił zastosowanie ogniw paliwowych do celów komercyjnych, m.in. w prototypowych pojazdach. Przez dotychczasowe lata naukowcy starali się przebić barierę techniczną miniaturyzacji ogniw. W roku 2005 firma Intelligent Energy wyprodukowała pierwszy na świecie motocykl ENV całkowicie skonstruowany pod kątem zasilania ogniwami paliwowymi. Udało się pokonać bariery miniaturyzacyjne tworząc ogniwa polimerowe zasilane metanolem – DMFC, co pozwala na zastosowanie ich w przenośnym sprzęcie elektronicznym, używanym z dala od źródeł ładowania akumulatorów, np. w komputerach przenośnych – laptop, czy telefonach komórkowych.

Ogniwa paliwowe 4

Grupa badaczy prowadząca projekt budowy 5kW systemu ogniwa paliwowego na bazie kwasu fosforowego, 1965

Ogniwa paliwowe 5

Silnik General Electric zasilany ogniwami paliwowymi PEM, 1963

Ogniwa paliwowe 6

Traktor napędzany ogniwami paliwowymi, 1959

Zasada działania ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które wytwarzają energię użyteczną (elektryczność, ciepło) w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Produketm ubocznym jest woda.

Ogniwo paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody odseparowane są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub jako ciało stałe. Elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów.

Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło.

Paliwo – wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami – jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz – tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) – podawany jest w sposób ciągły do katody.

Ogniwa paliwowe 7

Ogniwo paliwowe teoretycznie nie ulega ono rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.

Oto jakie reakcje chemiczne zachodzą w ogniwie paliwowym:

na anodzie:
na katodzie:

Następnie jony wodorowe H+ są zobojętnianie zjonizowanym tlenem:

Końcowy produktu to H2O czyli woda w postaci ciekłej lub para.

Zasada działania ogniwa paliwowego jest doskonale znana, znaczący postęp dokonuje się obecnie w opracowywaniu materiałów na budowę elektrod, membran, uszczelnień oraz katalizatorów. Celem badań jest wydłużenie żywotności i sprawności ogniwa, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów jego produkcji. Ponadto opracowywane są nowe technologie wytwarzania elementów ogniw, poprzez zastąpienie obróbki mechanicznej, precyzyjnymi technologiami natryskowymi. Efekty badań są już widoczne dla odbiorców końcowych: następuje wydłużanie cyklu życia ogniw paliwowych i jedncozesny spadek ceny produkowanej energii.

Rodzaje ogniw paliwowych

Podział ogniw paliwowych bazuje na zastosowanym w ogniwie elektrolicie. Zastosowany elektrolit determinuje temperaturę reakcji zachodzącej w ogniwie oraz rodzaj paliwa zasilającego ogniwo. Każde z ogniw posiada zalety i wady, które określają pola zastosowań dla każdego typu ogniw.

PEM (Proton Exchange Membrane lub Polimer Electrolyte Membrane).
Ogniwa paliwowe PEM zasilane są czystym wodorem lub reformatem. Membraną ogniwa PEM jest materiał polimerowy np. nafion. Charakterystyczną cechą ogniw PEM jest duża sprawność w produkcji energii elektrycznej – do 65% oraz mała ilość wydzielanego ciepła. Niewątpliwą zaletą ogniwa PEM jest dobra nadążność ogniwa w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom oraz krótki czas rozruchu. Cechy te wynikają z niskiej temperatury reakcji zachodzącej w ogniwie – 60 do 100 stopni Celsjusza.

Ogniwa PEM są stosowane głównie do napędzania pojazdów oraz do budowy stacjonarnych i przenośnych generatorów energii.

Ogniwa paliwowe 8

System ogniw paliwowych 1.2 kW (Ballard)

Ogniwa paliwowe 9

Elementy systemu ogniw paliwowych PEM

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell).

Ogniwa DMFC posiadają polimerową membranę, taką jak ogniwa PEM. Różnica pomiędzy ogniwem DMFC, a ogniwem PEM tkwi w konstrukcji anody, która w ogniwie DMFC pozwala na dokonanie wewnętrznego reformingu metanolu i uzyskanie wodoru do zasilania ogniwa. Ogniwa DMFC eliminują problem składowania paliwa, są atrakcyjne dla aplikacji przenośnych ze względu na niską temperaturę zachodzącej reakcji (około 80 stopni Celsjusza). Ogniwo DMFC charakteryzuje niższa sprawność w porównaniu do ogniwa PEM i wynosi 40%. Ogniwa DMFC używane są do budowy baterii dla urządzeń przenośnych i oferują wydajność nieosiągalną dla standardowych baterii – notebook zasilany 250 ml zbiornikiem metanolu, pracuje przez 12 godzin co jest nieosiągalne dla zwykłych baterii o podobnej masie/objętości.

Ogniwa paliwowe 10

System ogniw paliwowych 20 W do komputerów przenośnych

Ogniwa paliwowe 11

Ogniwa DMFC do telefonów komórkowych

AFC (Alkaline Fuel Cell).

Są to pierwsze ogniwa paliwowe, po raz pierwszy używane w kosmonautyce. Elektrolitem jest roztwór KOH. Reakcja przebiega w temperaturach od 100 do 250 °C . Temperatura reakcji zależy od stężenia roztworu KOH, wyższe temperatury reakcji pozwalają na osiągnięcie wyższej sprawności ogniwa dla generacji energii elektrycznej i ciepła. Ogniwa AFC zastosowane zostały na promie kosmicznym Apollo do kogeneracji energii elektrycznej i ciepła. Ogniwa AFC są wrażliwe na wszelkie zanieczyszczenia i wymagają paliwa o dużej czystości, co stanowi przeszkodę w ich komercjalizacji.

Ogniwa paliwowe 12Ogniwa paliwowe 13

Ogniwo paliwowe AFC użyte w promie kosmicznym

Phosphoric Acid (PAFC).

Ogniwa PAFC są stosowane do budowy systemów kogeneracji energii elektrycznej i ciepła. Sprawność generacji energii elektrycznej wynosi 40%, dodatkowo para wodna produkowana przez ogniwo, może być zamieniana na ciepło. Elektrolitem w ogniwie PAFC jest kwas fosforowy (H3PO4). Zaletą ogniw jest wysoka tolerancja na tlenki węgla co pozwala na stosowanie wielu paliw (ważne jest jednak odsiarczanie paliwa).

Ogniwa paliwowe 14

System kogeneracji energii elektrycznej o mocy 200 kW (Onsi), wykorzystuący ogniwa PAFC

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell).

Elektrolitem w ogniwach MCFC jest stopiony węglan Li/K. Ogniwa MCFC pracują w wysokich temperaturach i używane są do produkcji elektrowni małej i średniej mocy. Wysoka temperatura reakcji zachodzącej w ogniwie pozwala na stosowanie szerokiego wachlarza paliw (gaz ziemny, benzyna, wodór, propan).

Ogniwa paliwowe 15

System ogniw paliwowych MCFC o mocy 280 kW

Solid Oxide (SOFCs).

Ogniwa SOFC posiadają membranę wykonaną z ceramiki tlenkowej. Pracują w wysokich temperaturach od 650 do 1000 stopni Celsjusza . Rezultatem wysokiej temperatury reakcji przebiegającej w ogniwie SOFC jest wysoka sprawność w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła – nawet 85%. Powyższe cechy wraz z długim czasem osiągnięcia pełnej sprawności powodują, że SOFC jest stosowane w stacjonarnych systemach CHP (cogeneration heat and power). Ogniwa SOFC charakteryzują się wysoką tolerancją na zanieczyszczenia paliwa (tlenki węgla i siarki), co pozwala na stosowanie szerokiego wachlarza paliw.

Ogniwa paliwowe 16.jpg

SOFC rurowy

Ogniwa paliwowe 17.jpg

SOFC płaski

Najczęściej stosowane w przemyśle ogniwa paliwowe to ogniwa typu PEM/DMFC i SOFC. Popularność tych ogniw spowodowana jest ich wysoką sprawnością oraz membraną zbudowaną z materiałów stałych – brak części ruchomych w ogniwie jest dużą zaletą w zastosowaniach przemysłowych.

Ogniwa typu SOFC charakteryzuje wysoka temperatura reakcji i wolna nadążność dla zmiany obciążeń. Z tego względu ogniwa SOFC stosuje się w budowie stacjonarnych generatorów energii elektrycznej i ciepła, pracujących w sposób ciągły z jednakowym obciążeniem.

Z kolei ogniwa PEM i DMFC charakteryzują się niską temperaturą reakcji i stosowane są do budowy zarówno małych jak i dużych źródeł energii. Różnica pomiędzy ogniwem PEM i DMFC to rodzaj stosowanego paliwa. Ogniwo DMFC jest zasilane metanolem. Metanol jest paliwem łatwym w składowaniu, co w połączeniu z niską temperaturą reakcji czyni ogniwo DMFC idealnym do zastosowań jako bateria małej mocy.

Ogniwo typu PEM charakteryzuje wyższa sprawność (40% – DMFC, 65% – PEM). Paliwem dla ogniwa PEM jest wodór lub reformat. W przypadku stosowania reformatu, układ należy wyposażyć w tzw. procesor paliwowy, wytwarzający wodór z zastosowanego paliwa. Podnosi to koszt układu, jednak w wielu przypadkach jest to opłacalne np. w stacjonarnych jednostkach generacji energii gdzie jest łatwy dostęp do gazu ziemnego.

Ogniwa PEM/DMFC i SOFC, są już obecne na rynku konsumenckim, można je zakupić jako samodzielne urządzenia (fuel cell stack), jak i w gotowych urządzeniach.

Zestawienie cech ogniw paliwowych
Typ ogniwa Elektrolit Temperatura pracy [stopnie Celsjusza] Sprawność (generacja energi elektrycznej / kogeneracja) Zastosowania Paliwo
PEM (Proton Exchange Membrane) Polimer w stanie stałym 75 35- 60 % – urządzenia UPS
– baterie przenośne
– elektrownie małej mocy i generatory energii i ciepła
– przemysł motoryzacyjny, zastosowania mobilne
Wodór
AFC (Alkaline Fuel Cell) Roztwór KOH Poniżej 80 50 – 70 % – militarne
– kosmonautyka
Wodór
DMFC (Direct Metanol Fuel Cell) Polimer w stanie stałym 75 35 – 40 % – urządzenia przenośne
– baterie
Metanol

Roztwór metanolu i wodyPAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)Kwas fosforowy21035 – 50 %- generatory stacjonarneWodórMCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)Stopiony węglan Li/K65040 – 50 %- Duże elektrownie i generatory
– urządzenia CHP (Combined Heat & Power)Wodór, metanol, metan, biogaz, gaz LPG i inne

Gazy hydrokarbonowe

Reforming wewnętrznySOFC (Solid Oxide Fuel Cell)Ceramika tlenkowa650 – 100045 – 60 % / 85%- Duże elektrownie i generatory
– urządzenia CHP (Combined Heat & Power)Wodór, metanol, metan, biogaz, gaz LPG i inne

Gazy hydrokarbonowe

Reforming wewnętrzny

Zalety ogniw paliwowych

wysoka jakość dostarczanej energii. Energia dostarczana przez ogniwa paliwowe jest bardzo odporna na zakłócenia. Ogniwa paliwowe są idealnym źródłem zasilania dla urządzeń medycznych, aparatury pomiarowej, komputerów itp.

wysoka sprawność. Ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką gęstością energetyczną. Ogniwo paliwowe jest zawsze mniejsze i lżejsze od innych źródeł energii o porównywalnej mocy. Ponadto ogniwa paliwowe generują energię bezpośrednio z reakcji chemicznej, nie zachodzi więc proces spalania paliwa. W zastosowaniach mobilnych ogniwa paliwowe wytwarzają energię służącą bezpośrednio do napędu, w przeciwieństwie do silników spalinowych gdzie wytwarzana jest energia mechaniczna przekształcana przez przekładnie mechaniczne do energii napędowej. Sprawność ogniw paliwowych w generowaniu energii elektrycznej osiąga nawet 50%. W procesie kogeneracji, produkcji energii elektrycznej i ciepła, ogniwa paliwowe osiągają sprawność nawet 85%.

możliwość stosowania różnych rodzajów paliw. Ogniwa paliwowe mogą być zasilane każdym paliwem bogatym w wodór. Uzyskiwanie wodoru z paliwa może przebiegać wewnątrz ogniwa paliwowego, tzw. wewnętrzny reforming lub poza ogniwem w zewnętrznym urządzeniu zwanym: fuel reformer. Dzięki zjawisku elektrolizy, wodór dla ogniwa paliwowego można wytwarzać korzystając ze źródeł energii alternatywnej.

ochrona środowiska. Zanieczyszczenia wynikające z produkcji energii „konwencjonalnymi” metodami są powodem degradacji środowiska naturalnego i powodem pojawiania się nowych chorób cywilizacyjnych. Ogniwo paliwowe produkuje 25 razy mniej zanieczyszczeń w porównaniu z generatorami spalinowymi. W przypadku zasilania ogniwa paliwowego wodorem, ilość produkowanych zanieczyszczeń jest śladowa.

skalowalność. Pojedyncze ogniwa paliwowe można łączyć ze sobą w celu osiągnięcia pożądanego poziomu generowanej mocy. Zespoły ogniw paliwowych o różnych kształtach stosuje się zarówno do zasilania pojedynczej żarówki jak i do napędzania maszyn przemysłowych.

Ogniwa paliwowe 18.jpg.png

50 kW mobilny system ogniw paliwowych PEM do zastosowań w środkach transportu

Ogniwa paliwowe 19.jpg.Milli-Watt System Fuel do napędzania miniaturowych urządzeń opracowany w Pacific Northwest National Laboratory

Ogniwa paliwowe 20

PDA na ogniwa paliwowe firmy Hitachi

Wpływ 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 sprawność, to w połączeniu z tym, że przy stosowaniu w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod dużymi ciśnieniami to całkowita sprawność ogniw może spaść poniżej poziomu najwydajniejszych z silników spalinowych.

Inną metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu w procesie reformingu parowego, który ma sprawność 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.

Wpływ stosowania kopalnianych źródeł energii (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny itp.) na zanieczyszczenie środowiska stawia ogniwa paliwowe w doskonałej pozycji jako alterntywne źródło zasilania, obojętne lub prawie obojętne dla środowiska naturalnego.

Ogniwa paliwowe 21

Zastosowanie ogniw paliwowych

Urządzenia przenośne, baterie małej mocy.
Ogniwa paliwowe są coraz częściej postrzegane jako substytut konwencjonalnych baterii i akumulatorów stosowanych w przemyśle niewielkich urządzeń elektronicznych (laptopy, aparaty, telefony komórkowe, odtwarzacze MP3 itd.)

Dla producentów ogniw paliwowych jest ogromny rynek zbytu. Praktycznie wszystkie liczące się firmy produkujące urządzenia przenośne są zaangażowane w badania nad ogniwami paliwowymi.

Zastosowanie ogniw paliwowych w przenośnych urządzeniach elektronicznych pozwala na oddzielenie przetwarzacza energii od zbiornika paliwa w systemie ogniwa paliwowego, dzięki czemu zyskuje się większą swobodę w fazie projektowej. Ogniwa paliwowe mają także wyższą teoretyczną gęstość energii w porównaniu do konwencjonalnych baterii i w przeciwieństwie do długiego czasu ładowania baterii, wystarczy napełnić ogniwo paliwem, aby działało, co wymaga tylko minimalny nakład czasu.

Ogniwa PEMFC i DMFC ze względu na swoje własności dotyczące niskiej temperatury pracy są stosowane do tego typu rozwiązań.

Segment urządzeń przenośnych poprzez swój dynamiczny rozwój zmusza do szukania nowych źródeł energii potrzebnej do zasilania urządzeń mających coraz większe wymagania energetyczne (większe wyświetlacze, nowe funkcje itp.).

Istnieje jednak jeszcze sporo problemów, głównie natury technicznej, opóźniających globalną komercjalizację ogniw paliwowych w sektorze przenośnych urządzeń elektronicznych.

Ogniwa paliwowe 22

Toshiba

Ogniwa paliwowe 23

Antig Technology i AVC Corp

Ogniwa paliwowe 24.jpg

MTI MicroFuel Cells

Systemy stacjonarne – generatory energii elektrycznej i ciepła CHP, elektrownie małej mocy.
Systemy stacjonarne to zarówno małe domowe jednostki produkujące prąd i ciepło (systemy CHP) lub pomocnicze źródła prądu o mocach rzędu kilowatów, jak i duże elektrownie o mocy kilku megawatów.

Urządzenia takie są stosowane w miejscach, gdzie dostępność energii elektrycznej jest kwestią kluczową, a więc w szpitalach, bazach wojskowych, budynkach biurowych czy przemyśle. Stacjonarne systemy ogniw paliwowych znajdują zastosowanie jako dodatkowe instalacje generujące prąd, który jest oddawany do energetycznej sieci rozsyłowej, jako systemy awaryjne w szpitalach i innych budynkach, czy do zastosowań wymagających dużej niezawodności.

Ogniwa paliwowe są znakomicie skalowalne i pozwalają na budowę elektrowni małej mocy, rzędu kilku MW. Pierwsze elektrownie produkują energię elektryczną dla komisariatów policji w Nowym Jorku, Central Parku i wielu innych miejsc.

Zaawansowane prace prowadzone są nad wdrożeniem generatorów energii CHP (ang. Combined Heat and Power), wykorzystujących zestaw ogniw paliwowych do generacji energii elektrycznej i ciepła.

Generatory o mocy 1-10 kW są w stanie zaopatrzyć w energię elektryczną i ciepło domy mieszkalne, biura, budynki użyteczności publicznej. Generatory oparte o technologię ogniw paliwowych dostarczają energię elektryczną o precyzyjnych parametrach, nie posiadają ruchomych elementów i są w stanie zapewnić dostęp do energii dłużej niż stosowane obecnie generatory energii.

Generatory z systemem ogniw paliwowych są zasilane wodorem lub związkami wodorowęglowymi. Technologia ta jest bardzo cicha, wydajna i produkująca minimalne ilości zanieczyszczeń.

W chwili obecnej technologia ta wymaga dalszego rozwoju i badań nad nią, ze względu na niedostateczną wartość osiąganej mocy.

Ogniwa paliwowe 25.jpgOgniwa paliwowe 26.jpg

System firmy Ballard             Generator CHP firmy CFC Ltd. wraz z reformatorem.

Ogniwa paliwowe 27.jpgGenerator energii firmy Nuvera wraz z reformatorem paliwa i przykład jego zastosowania

Środki transportu, komunikacja.

Obecnie niemal każda liczaca się na rynku firma motoryzacyjna prowadzi zaawansowane testy pojazdu napędzanego ogniwami paliwowymi. Obecnie opłacalność pojazdu FCV (Fuel Cell Vehicle), dorównuje współczesnym hybrydom. Wraz z upowszechnieniem się technologii ogniw paliwowych, pojazdy FCV staną się z pewnością bardzo popularne.

Zalety ogniw paliwowych jako napędu środków transportu to: wysoka sprawność (65% dla ogniwa paliwowego w porównaniu z 35% dla silnika spalinowego), brak wibracji i hałasu towarzyszącego wytwarzaniu energii, produkcja energii bezpośrednio napędzającej silniki elektryczne, brak spalania paliwa w czasie postoju, stałość momentu obrotowego i wiele innych.

Według zapowiedzi producentów, pierwsze FCV trafią do seryjnej produkcji jeszcze przed rokiem 2015. Obecnie głównym problemem w komercjalizacji samochodów FCV jest ich wysoka cena.

Technologie ogniw paliwowych objęły także pozostałe segmenty środków transportu, jednak nie jest to tak zauważalne, jak w przypadku samochodów. Istnieją już bezzałogowe samoloty zasilane ogniwami paliwowymi, motory, a nawet wózki inwalidzkie czerpiące energię z wykorzystaniem tej technologii.

Ogniwa paliwowe Honda HCFX Ogniwa paliwowe Honda FCXOgniwa paliwowe Honda FCX  1

Ogniwa paliwowe Honda FCX 2 Ogniwa paliwowe Honda FCX 5 Ogniwa paliwowe Honda FCX 3

Ogniwa paliwowe Honda FCX 6Honda FCX napędzany wodorem (wersja koncepcyjna) – kliknij aby powiększyć

Ogniwa paliwowe Hyundai Tucson FCEV Ogniwa paliwowe Hyundai Tucson FCEV 1 Ogniwa paliwowe Hyundai Tucson FCEV 2

Hyundai Tucson FCEV napędzany wodorem – kliknij aby powiększyć

Robotyka i roboty.
Robotyka jest dziedziną w której wydajne źródło energii jest sprawą ważną, zwłaszcza dla robotów mobilnych, zasilanych niezależnym źródłem energii. Parametry takie jak waga/objętość, sprawność, jakość dostarczanej energii mają znaczny wpływ na konstrukcję robotów i na parametry pracy robota. Ogniwa paliwowe zapewniają pewne źródło energii, zdolne do zasilania układów elektrycznych stosowanych w robotyce. Jednocześnie masa systemu zasilania, opartego na technologii ogniw paliwowych jest relatywnie mała w stosunku do ilości wytwarzanej energii. Ze względu na wymienione zalety, ogniwa paliwowe szybko znalazły zastosowanie jako źródło napędu w robotyce.

Ogniwa paliwowe 28

Speecys-FC jest pierwszym na świecie robotem zasilanym ogniwami paliwowymi

Ogniwa paliwowe 29.jpg

Robot od Toshiby zasilany jest ogniwami typu DMFC

Ogniwa paliwowe 30.jpgRobot Guardrobo D1 dzięki ogniwom paliwowym może pracować non stop przez tydzień

Organizacje i stowarzyszenia
Asociacion Espanola del Hidrogeno
Association Hydropole – Swiss Hydrogen Association
Australian Institute of Energy – Hydrogen Division
Canadian Hydrogen Association
European Hydrogen Association
French Hydrogen Association
Fuel Cell Development Information Center (Japan)
Fuel Cells Canada
German Hydrogen and Fuel Cell Association
International Association for Hydrogen Energy (IAHE)
Italian Hydrogen and Fuel Cell Association
National Hydrogen Association (NHA)
PATH Partnership for Advancing the Transition to Hydrogen
Polskie Stowarzyszenie Wodoru i Ogniw Paliwowych

Producenci

3M USA
Astris Energi Kanada
Ballard Power Systems Kanada
Ceramic Fuel Cells Limited Australia
Delphi USA
Electrochem USA
Fuel Cell Technologies Kanada
H2 ECOnomy USA
H2 Industrial Dania
Helion Fuel Cells Francja
Hoku Scientific USA
HTceramix Szwajcaria
Hydrogenics Belgia
IdaTech USA
MTI Micro USA
MTU Niemcy
Nuvera Fuel Cells USA
Plug Power USA
Protonex USA
RWE Niemcy
SFC Smart Fuel Cell Niemcy
UltraCell USA
ZTEK USA

Wodór

Charakterystyka.
Wodór jest bezbarwnym i bezwonny gazem o gęstości zaledwie 0,0899 kg/m3. Czyni go to najlżejszym pierwiastkiem występującym we Wszechświecie.

Wodór

      Wizualizacja wodoru

Wodór to najprostszy pierwiastek w układzie okresowym pierwiastków. Posiada jeden proton i jeden elektron, jest podstawowym pierwiastkiem w szeregu aktywności metali. Wodór występuje w postaci trzech izotopów: prot (1H), deuter (2H), tryt (3H, izotop niestabilny). Ze względu na różnicę masy pomiędzy izotopami stabilnymi, różnią się one znacznie właściwościami.

Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem na ziemi, jednak nie występuje naturalnie w czystej postaci. Na Ziemi występuje głównie w postaci wody H2O.

Wodór jako gaz jest bardzo łatwo palny – zapłon może wystąpić w połączeniu z powietrzem (tlenem) nawet gdy stężenie wodoru wynosi zaldwei 4%. Reakcja chemiczna jaka zachodzi podczas spalania wodoru jest następująca:

W wyniku reakcji chemicznej łączenia wodoru z tlenem powstaje woda i znaczne ilości energii. Przy odpowiednich proporcjach składników tlen – wodór następuje eksplozja.

Własności fizyczne wodoru
Stan skupienia gazowy
Gęstość 0,0899 kg/m3
Barwa bezbarwny
Zapach bez zapachu
Temperatura topnienia -259,13 st. Celsjusza
Temperatura wrzenia -252,88 st. Celsjusza
Temperatura krytyczna -239,9 st. Celsjusza
Ciśnienie krytyczne 1,3 MPa
Ciepło parowania 0,44936 kJ/mol
Ciepło topnienia 0,05868 kJ/mol
Ciśnienie pary nasyconej 209 Pa (23 K)
Prędkość dźwięku 1270 m/s (298,15 K)
Bezpieczeństwo.

Wodór postrzegany jest jako paliwo niebezpieczne, co jednak nie znajduje potwierdzenia w praktyce. Jako najlżejszy pierwiastek, wodór ulatnia się bardzo łatwo i nie gromadzi się w miejscu. Ponadto wodór spala się poza zbiornikiem w postaci wąskiego słupa ognia. Poniższe zdjęcia obrazują zapłon wodoru i benzyny w pojazdach.

Wodór i benzyna - zapłonZapłon wodoru (po lewej) i benzyny (po prawej) w samochodach

Wodór w zasilaniu ogniw paliwowych.

Ogniwa paliwowe zasilane są związkami węglowodorowymi, a bezpośrednio wodorem stanowiącym nośnik energii. Wodór stwarza szanse na produkcję prawdziwie czystej energii, jednak tylko lokalnie. Wodór wytwarzany jest w trakcie procesów przemysłowych – głównie reformingu. Sprawność reformingu przemysłowego szacuje się na 70%, tak więc na dzień dzisiejszy należy zużyć więcej energii niż można uzyskać z wyprodukowanego wodoru. Aby uzyskać prawdziwie czystą energię, należy produkować wodór wykorzystując naturalne źródła energii do przeprowadzenia elektrolizy lub opracować metody biologiczne produkcji wodoru. Należy jednak dodać, iż wodór jest tak naprawdę tylko gazem ubocznym produkowanym w procesie reformingu – produktem celowym jest zwykle benzyna.

Poszczególne typy ogniw determinują rodzaj paliwa, obecnie dostępne konstrukcje precyzują także wilgotność paliwa, optymalną temperaturę i ciśnienie. Do bezpośredniego zasilania ogniw paliwowych stosuje się czysty wodór lub reformat. Ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe typu SOFC lub MCFC mogą być zasilane bezpośrednio gazem ziemnym, biogazem, a nawet benzyną. Reformat jest to gaz zawierający w sobie dużą ilość wodoru, typowy skład reformatu to: 80% wodoru H2, 19% dwutlenku węgla CO2, śladowe ilości metanu CH4 i zawartość tlenku węgla CO nie większa niż 15ppm). Stosowanie reformatu w porównaniu z wodorem ma swoje wady i zalety:

  • reformat zawiera związki węgla (może zawierać także szkodliwe związki azotu i siarki), co wpływa na skrócenie czasu życia ogniwa paliwowego,
  • czysty wodór pozwala na osiągnięcie wyższych mocy przez ogniwo paliwowe,
  • reformat należy wyprodukować w systemie lub poza systemem,
  • w przypadku produkcji reformatu/przeprowadzania reakcji reformingu w systemie, unika się problemu składowania wodoru.

Wodór - hydrogeneratorHydrogenerator

Otrzymywanie wodoru.
Wodór jest produkowany w laboratoriach chemicznych i biologicznych, często jako produkt uboczny innych reakcji, w przemyśle w hydrogeneratorach i w naturze jako produkt zachodzących reakcji biochemicznych.

Produkcja laboratoryjna

W laboratoriach wodór najczęściej jest wytwarzany w wyniku reakcji metali (np. cynku lub aluminium) z kwasami, według reakcji:

Zn +2H+ —–Zn2+  + H2

Inną metodą otrzymywania wody jest elektroliza wody. Metoda ta pomimo swojej prostoty nie jest jednak powszechna ze względu na stosunkowo duże koszty. W reakcjach takich katoda jest zazwyczaj z platyny.

Wodór - elektroliza wody

     Elektroliza wody

Produkcja przemysłowa

Wodór w warunkach przemysłowych może być otrzymywany różnymi metodami, jednak z ekonomicznego punktu widzenia najważniejszym sposobem jest usuwanie wodoru z węglowodorów.

Duże ilości wodoru są zazwyczaj wytwarzane w wyniku tzw. reakcji reformingu gazów naturalnych. W wysokich temperaturach rzędu 700 – 1100 stopni Celsjusza para wodna reaguje z metanem. W wyniku tej reakcji powstaje tlenek węgla i wodór:

otrzymywanie wodoru, energia odnawialna, ogniwa paliwowe

Reakcja zachodzi przy niewielkich ciśnieniach, jednak coraz częściej przeprowadza się ją pod wysokim ciśnieniem (20 atm), ze względu na coraz częstszą sprzedaż wodoru w zbiornikach wysokociśnieniowych. Mieszanka gazów powstająca podczas reakcji chemicznej jest nazywana gazem syntezowym, ponieważ używa się jej bezpośrednio do produkcji metanolu i innych związków chemicznych. Węglowodory inne niż metan mogą być użyte do produkcji gazu syntezowego, wówczas produkty wytwarzane podczas reakcji występują w różnych proporcjach.

Jednym z problemów optymalizacji technologicznego procesu produkcji wodoru występujących podczas reakcji reformingu jest powstawanie węgla lub koksu w wyniku rozkładu węglowodorów:

otrzymywanie wodoru, energia odnawialna, ogniwa paliwowe

Również podczas reformingu parowego może się pojawić nadmiar wody z pary wodnej.

Dodatkowe ilości wodoru można uzyskać z reformingu parowego poprzez reakcję powstałego tlenku wodoru z wodą, w obecności katalizatora (np. tlenków żelaza):

otrzymywanie wodoru, energia odnawialna, ogniwa paliwowe

Inną ważną metodą produkcji wodoru jest częściowa oksydacja (utlenianie) węglowodorów:

otrzymywanie wodoru, energia odnawialna, ogniwa paliwowe

oraz reakcja chemiczna czystego węgla z wodą, która także może posłużyć jako reakcja początkowa do utleniania węglowodorów:

otrzymywanie wodoru, energia odnawialna, ogniwa paliwowe

Wodór - produkcja na skalę przemysłowąProdukcja wodoru na skalę przemysłową

Produkcja biologiczna

Wodór jest efektem metabolizmu żywych organizmów. Reakcje zachodzące w żywych organizmach w wyniku których produkowany jest wodór zachodzą dzięki katalizatorom, którymi są tzw. hydrogenazy – enzymy zawierające w swoich cząsteczkach żelazo lub nikiel. Trwają prace nad wykorzystaniem źródeł energii naturalnej do wytwarzania wodoru na skalę przemysłową.

Przechowywanie wodoru.
Ważnym elementem systemów ogniw paliwowych jest przechowywanie wodoru. Wodór przechowywać można w postaci ciekłej, sprężonego gazu lub wodorków metali. Barierą dla przechowywania wodoru w postaci ciekłej jest wymagana temperatura 20K ( -273 stopni Cesjusza ).

Magazynowanie wodoru w postaci wodorków metali polega na adsorbowaniu wodoru przez stopy niklu (LaNi5) i chromu (ZrCr2), odzyskiwanie wodoru polega na doprowadzeniu temperatury do stopu. Metoda ta jest jednak mało wydajna w obecnej chwili – jedynie 5% masy zbiornika stanowi wodór.

Najpowszechniejszym i najczęściej stosowanym sposobem przechowywania wodoru jest przechowywanie w zbiornikach pod ciśnieniem nawet 1000 barów.

Wodór - butle

    Butle z wodorem od firmy Palcan

Materiały do ściągnięcia

Podsumowanie targów H2 Expo 2006 w Hamburgu
źródło: inf. własna
Fuell cells glossary (PDF, 112 kB)
źródło: US Fuel Cell Council
Fuel specification for fuel cells (PDF 309 kB)
źródło: ECN Fuel Cell Technology
Stationary Fuel Cell Market Opportunities, Strategies, and Forecasts, 2006 to 2012 (PDF 11 kB)
źródło: Mindbranch
How Small Can Fuel Cells Go? (PDF 40,8 kB)
źródło: QinetiQ

Ciekawe artykuły

Telefony i aparaty „napiją” się alkoholu (Wirtualna Polska)

Opublikowano za: http://www.ogniwa-paliwowe.com/

Wypowiedz się