Ogniwa paliwowe Grupa IV

Ogniwo paliwowe to ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. Jedynym ograniczeniem ilości energii, którą może wytworzyć ogniwo paliwowe jest pojemność zbiornika na paliwo. W odróżnieniu od ogniw galwanicznych (akumulatory, baterie) w których energia wytwarzanego prądu musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń (co znacznie ogranicza czas ich pracy) ogniwa paliwowe nie muszą być ładowane. Wystarczy tylko dolać kolejną porcję paliwa. W przypadku ogniw galwanicznych ładowanie może być procesem trwającym wiele godzin, z czego ogniwa te często po kilkakrotnym wyczerpaniu i naładowaniu tracą swoje właściwości (szczególnie baterie) i stają się bezużyteczne, a kwasy w nich nagromadzone są trujące.

Zaletą ogniw wodorowych jest niewielkie zanieczyszczenie powietrza Zaletą ogniw wodorowych jest niewielkie zanieczyszczenie powietrza. Powstające w nich spaliny składają się wyłącznie z pary wodnej. Silniki spalinowe oprócz pary wodnej wytwarzają też dwutlenek węgla, czad, ozon, tlenki siarki, azotu i ołowiu oraz szereg innych toksycznych substancji. Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie. Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów. W ogniwach galwanicznych wytwarzanie prądu opiera się na szeregu reakcji chemicznych, które doprowadzają do zmiany składu elektrolitów lub elektrod. Aby odwrócić ten proces konieczne jest długotrwałe ładowanie.

Schemat działania ogniwa wodorowego

Historia 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 drogie materiały, a do ich działania były potrzebne 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 jako paliwo wykorzystywano wodór i tlen. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych wykorzystanie membrany polimerowej umożliwiło zastosowanie ogniw paliwowych do celów komercyjnych. W roku 2005 firma Intelligent Energy wyprodukowała pierwszy na świecie motocykl ENV z ogniwami polimerowymi zasilanymi metanolem, co pozwala na zastosowanie ich w przenośnym sprzęcie elektronicznym, tj. - laptopy, telefony komórkowe.

Najważniejsze zastosowania ogniw paliwowych: - energetyka, - sondy i statki kosmiczne, - systemy zasilania awaryjnego, - dostarczanie energii do miejsc bez sieci energetycznej, - urządzenia mobilne, tj. telefony komórkowe, notebooki, - samochody na wodór, - roboty mobilne

Rodzaje ogniw paliwowych - ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów - odwracalne ogniwo paliwowe - bezpośrednie ogniwo metanolowe - ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym - ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem - ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym - alkaliczne ogniwo paliwowe.

Zastosowanie ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów: - urządzenia UPS - baterie przenośne - elektrownie małej mocy i generatory energii i ciepła - przemysł motoryzacyjny, zastosowania mobilne Rodzaj paliwa do ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów to wodór.

Duże nadzieje wiąże się zwłaszcza z ogniwami paliwowymi z membraną do wymiany protonów, które stosuje się do celów transportowych i grzewczych. W Niemczech powstają instalacje pilotażowe, które są w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na prąd dla domów w 80 procentach, a na ciepło - w całości. W światowej czołówce utrzymują się Stany Zjednoczone. Trwają tam prace nad technologią wodorową, która daje szansę niezależności energetycznej. Dzięki upowszechnieniu ogniw, będzie można stosować system tzw. energetyki rozproszonej, co jest ważne w dobie nasilonego terroryzmu - znikną bowiem potencjalne cele ataku w postaci dużych elektrowni. Ponadto w Kalifornii otwarto niedawno "wodorową autostradę", zaopatrzoną w infrastrukturę stacji paliwowych na wodór.

Odwracalne ogniwo paliwowe, wykorzystuje wodór i tlen do produkcji elektryczności i wody, następnie z wody i energii tworzy wodór i tlen. Obieg paliwa w takim ogniwie jest zamknięty, nie emituje żadnych zanieczyszczeń. Światło słoneczne i woda jest jedynym paliwem.

Bezpośrednie ogniwo metanolowe wykorzystywane jest do urządzeń przenośnych takich jak telefony komórkowe, laptopy. Ogniwo takie stosuje się również jako baterie. Paliwem bezpośredniego ogniwa metanolowego jest metanol lub roztwór metanolu i wody.

Zastosowanie ogniwa paliwowego z zestalonym elektrolitem tlenkowym: - duże elektrownie i generatory - urządzenia CHP (Combined Heat & Power). Rodzaj paliwa do ogniwa paliwowego z zestalonym elektrolitem tlenkowym: - wodór, - metanol, - metan, - biogaz, - gaz LPG - gazy hydrokarbonowe - reforming wewnętrzny.

Zastosowanie ogniwa paliwowego ze stopionym węglanem: - duże elektrownie i generatory - urządzenia CHP (Combined Heat & Power). Rodzaj paliwa do ogniwa paliwowego ze stopionym węglanem: - wodór, - metanol, - metan, - biogaz, - gaz LPG - gazy hydrokarbonowe - reforming wewnętrzny.

Zastosowanie ogniwa paliwowego z kwasem fosforowym: - generatory stacjonarne. Rodzaj paliwa do ogniwa paliwowego z kwasem fosforowym: - wodór.

Zastosowanie alkalicznego ogniwa paliwowego: - militaria - kosmonautyka. Rodzaj paliwa do alkalicznego ogniwa paliwowego: - wodór.