OGNIWA PALIWOWE.

Prezentacja na temat: "OGNIWA PALIWOWE."— Zapis prezentacji:

1 OGNIWA PALIWOWE

2 Historia Ogniw Paliwowych
Korzeni tej technologii należy się doszukiwać jeszcze w XIX wieku, ale dopiero dziś zaczyna ona przynosić owoce. Sir William Grove, brytyjski sędzia i uczony skonstruował już w 1839 roku pierwsze ogniwo paliwowe. W pierwszym ogniwie paliwowym, jego wynalazca wykorzystywał reakcję łączenia wodoru z tlenem do bezpośredniego wytwarzania prądu elektrycznego. Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją odpadową jest woda. Wiele lat potem naukowcy z NASA wykorzystali tę genialnie prostą ideę i rozwinęli technologię do poziomu umożliwiającego wykorzystanie jej w pojazdach kosmicznych Apollo, Gemini, Skylab i innych, aby produkować energię elektryczną i wodę pitną.

3 Jeszcze pod koniec lat 80-tych ogniwa paliwowe lekceważono - z powodu ich wysokiej ceny. Koszt takich urządzeń był, niestety, astronomiczny i sięgał dolarów za kilowat. Teraz sytuacja zmienia się w szybkim tempie, zwłaszcza dzięki istotnym zaletom ekologicznym. Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 40% - 60%, zaś emisję tlenków azotu o 50% - 90%.

4 Zasada działania ogniwa

5

6

7 Zarówno zwykłe baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny dzięki reakcjom elektrochemicznym. W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, cały proces zaczyna się od wydzielania czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem (1). Powstający przy tym dwutlenek węgla (2) jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu.

8 Następnie wodór trafia do właściwego ogniwa (3), wywołując kolejne reakcje chemiczne: platynowy katalizator na anodzie "wyrywa" z gazu elektrony (4), a dodatnio naładowane jony (protony) "rozpuszczają się" w elektrolicie (5). Obojętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechwytuje swobodne elektrony powodując powstanie prądu stałego (8).

9 Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie, wytwarzając wodę (7). Powstający stały prąd elektryczny zostaje w przetwornicy przekształcony na prąd zmienny (9), z którego łatwiej można korzystać. Jak długo do właściwego ogniwa paliwowego dopływa wodór i tlen, tak długo wytwarza ono prąd elektryczny, ciepło i wodę.

10 Rodzaje ogniw paliwowych
Ogniwo paliwowe (nazwa) Elektrolit Elektrody Paliwo Temperatura pracy i zastosowanie ogniwa Ogniwo alkaliczne (zasadowe) AFC (Alkaline Fuel Cell) Roztwór wodorotlenku potasu:  stężony 85% (temp pracy < 250OC), rozcieńczony 35-40% (temp pracy <120OC) Zastosowanie różnych metali Wodór H2, hydrazyna N2H4, metan CH4   Paliwo i utleniacz muszą być pozbawione CO2 Temp. pracy: 100 – 200OC Zast– technika kosmiczna i wojskowa (łodzie podwodnne i pojazdy pancerne), transport Ogniwo polimerowe (membranowe) SPFC (Solid Polymer Fuel Cell) Jonowymienna membrana z polimeru sulfono – fluoro - węglowego Platynowe Wodór H2, metanol CH3OH Paliwo musi być pozbawione CO  Temp. pracy: <120OC Zast- głównie transport, pojazdy kosmiczne i wojskowe  Ogniwa kwasu fosforowego PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) Stężony kwas fosforowy (100%) Platyna naniesiona na podłoże węglowe spajane teflonem Wodór H2, gaz ziemny, nafta, metanol CH3OH, biogaz. Paliwo musi być odsiarczone i pozbawione CO Temp. pracy: OC Zast- jako źródło energii elektrycznej i cieplnej w obiektach użyteczności publicznej (szpitale, biura, hotele, niewielkie osiedla mieszkaniowe) Ogniwa węglanowe (stopionych węglanów) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) Mieszanina węglanów alkaicznych (Li, K, Na) Anoda – porowaty nikiel z dodatkiem chromu. Katoda – porowaty tlenek niklu dotowany litem Gaz ziemny ,metanol CH3OH , biogaz. Paliwo musi być konwertorowane na gaz zawierający wodór H2 w odrębnym urządzeniu- reforming zewnętrzny lub reforming wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji elektrochemicznej.  Utleniacz to powietrze z dodatkiem CO2 Temp. pracy: OC Wysokotemperaturowe ogniwa węglanowe umożliwiają wykorzystanie produkowanego ciepła do celów grzewczych i w procesach technologicznych. Ogniwa tlenkowe SOFC (Solid Oxide Fuei Cell) Nieporowaty stały tlenek metalu najczęściej cyrkonu ZrO2 stabilizowany tlenkiem itru Y2O3 Gaz ziemny ,biogaz. Paliwo musi być konwertorowane na gaz zawierający wodór H2 w odrębnym urządzeniu- reforming zewnętrzny lub reforming wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji elektrochemicznej.  Temp. pracy: OC Ogniwa te znajdują się w fazie prac badawczych i ich zastosowanie w większej skali jest jeszcze odległe.

11 Alkaliczne Ogniwo Paliwowe - Alkaline Fuel Cell (AFC)
AFC było pierwszym nowoczesnym ogniwem paliwowym rozwijanym na początku lat sześćdziesiątych. Był to pierwszy typ szeroko stosowany w amerykańskim programie kosmicznym do dostarczania elektryczności na pokładach statków kosmicznych w programie Apollo. Elektrolit to skoncentrowany (85% wag.) wodorotlenek potasu w ogniwach pracujących w wysokiej temperaturze (powyżej 250oC) i mniej skoncentrowany (35-50% wag.) KOH w przypadku niższej temperatury pracy. Niedawno opracowane układy mogą pracować w temperaturze poniżej 100oC. Redukcja tlenu w środowisku zasadowym jest dużo szybsza niż w kwaśnym, np. w PEMFC. Tak więc, jest możliwe wykorzystanie różnych katalizatorów np. Ni, Ag, tlenki metali, spinele, oprócz metali szlachetnych. Niedrogie katalizatory takie jak Raney Nickel lub Raney Silver zostały pozytywnie sprawdzone we wczesnym stadium prac nad AFC. Reakcje elektrodowe ukazano poniżej: Utlenienie wodoru na anodzie: H2 + 2OH → 2H2O + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: ½O2 + H2O + 2e → 2OH- Sumaryczna reakcja w AFC:   H2 + ½O2 → H2O

12 Ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami - Molten carbonate fuel cell (MCFC)
Elektrolit w postaci stopionego węglanu to zazwyczaj węglan litu i potasu (Li2CO3/K2CO3) lub litu i sodu (Li2CO3/Na2CO3) w osnowie ceramicznej z ceramiki na bazie aluminium (LiAlO3). Z powodu bardzo wysokich temperatur pracy ( °C) kinetyka katody (szybkość reakcji) jest drastycznie poprawiona w porównaniu do PEMFC i PAFC, więc nie potrzeba szlachetnych metali jako katalizatorów. Na katodzie jest zazwyczaj tlenek niklu, ale bada się również materiały na bazie tlenku litu. W anodzie wykorzystuje się zazwyczaj stopy niklowo aluminiowe lub niklowo chromowe. Reakcje elektrodowe i sumaryczne są ukazane poniżej. Utlenienie wodoru na anodzie: H2 + (CO3)2- → H2O + CO2 + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: CO2 + ½O2 + 2e- → (CO3)2-  Sumaryczna reakcja w MCFC:   H2 + ½O2 → H2O

13 Są to wysoko temperaturowe ogniwa paliwowe pracujące w temperaturze ok
Są to wysoko temperaturowe ogniwa paliwowe pracujące w temperaturze ok. 600 ˚C. Ich główną wadą jest korozja. Ogniwa ze stopionymi węglanami przeszły swój pierwszy wielki test w latach w Santa Clara w USA, gdzie firma Energy Research Corp. (dzisiaj znana jako FuelCell Energy) zainstalowała duże urządzenie o mocy elektrycznej 2 MW (ogniwo ERC Direct FuelCell). W trakcie pracy moduł zachowywał się dobrze, jednak po jakimś czasie doszło do awarii. Dalsze testy prowadzono na odbudowanej wersji o mniejszej mocy 1 MW Systemy MCFC. Po lewej 2MW jednostka na gaz węglowy. Po prawej kilka 250 kW jednostek pracujących obecnie w Japonii i w USA.

14 Anchorage /Alaska/

15 Ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym - Phosphoric-acid fuel cells (PAFC)
W ogniwie tego typu wykorzystuje się w roli elektrolitu stężony kwas fosforanowy umieszczony w osnowie z węglika krzemu i teflonu. Z powodu agresywności kwasu, do niedawna używano go w postaci rozcieńczonej. Nowe, odporne na korozję materiały umożliwiły użycie stężonego kwasu, co podnosi przewodność elektrolitu. Elektrody zbudowane z takiego samego materiału jak w PEMFC - z platyny na podkładzie z węgla. Również tutaj wymagane jest zastosowanie większej ilości katalizatora na katodzie niż na anodzie. Jeśli ogniwo działa na wodorze uzyskanym z reformingu paliw kopalnych ruten (Ru) jest dodawany do Pt na anodzie. Dzięki Ru w roli drugiego katalizatora tlenek węgla z paliwa jest łatwiej utleniany. Ponieważ ogniwo zasila wodór ( lub reformowane węglowodory) i powietrze, reakcje na elektrodach s takie same jak w PEMFC.  Utlenienie wodoru na anodzie:   H2 → 2H+ + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O Sumaryczna reakcja w PAFC:   H2 + ½O2 → H2O 

16 PAFC działa w temperaturze około 200 °C, a to znaczy, że jest mniej wrażliwe na zanieczyszczenia takie jak CO w porównaniu z PEMFC. Jednak, nie można tego ogniwa zasilać bezpośrednio paliwami kopalnymi i stąd potrzebny jest zewnętrzny reforming. Poziom CO również musi zostać zmniejszony poniżej 3-5% objętości przez reakcję wymiany woda-gaz, w przeciwnym razie CO wpłynie negatywnie na katalizator. Dzięki wyższej temperaturze pracy ciepło odpadowe ma większą wartość niż w przypadku innych ogniw niskotemperaturowych. Sprzężone wytwarzanie mocy i ciepła jest możliwe. Liczne podobieństwa pomiędzy PAFC i PEMFC powodują, że niektóre części składowe tych ogniw są identyczne. W zakresie pracy w temperaturze ˚C wydalona woda zamienia się na parę wodna, która może być źródłem ciepła. Skuteczność ogniwa wynosi przez to 80%. Ogniwo PAFC Fuji-Electric 100 kW.

17 Ogniwo z membraną do wymiany protonów - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Przetwarza ono chemiczną energię uwolnioną podczas elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu na energie elektryczną, w przeciwieństwie do bezpośredniego spalania wodoru i tlenu gdzie wytwarza się energia cieplna. Strumień wodoru jest kierowany na anodową stroną membrany. Na niej jest katalitycznie rozdzielany na protony i elektrony. Nowo uformowane protony przenikają przez membranę nas stronę katodowa. Elektrony przechodzą poprzez zewnętrzne obciążenie na stronę katodową powodując przez to przepływ prądu. W międzyczasie strumień tlenu kierowany jest na katodowa stronę membrany . Tam tlen reaguje z protonami przenikającymi przez membranę oraz elektronami przychodzącymi z zewnętrznego obwodu i tworzy się w ten sposób woda. Oto schematy reakcji: Utlenienie wodoru na anodzie:   H2 → 2H+ + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O Sumaryczna reakcja w PEMFC: H2 + ½O2 → H2O Aby ogniwo działało membrana musi przewodzić tylko protony a nie elektrony w przeciwnym razie nastąpi zwarcie ogniwa paliwowego.

18 Instalacja 250 kW ogniwa PEMFC na gaz ziemny w Oberhausen w Niemczech w 2002 roku.

19 Ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym - Solid-oxide fuel cells (SOFC)
Elektrolitem w SOFC jest zestalony, nieporowaty tlenek metalu, zazwyczaj Y2O3 stabilizowany 8-10 % molowymi ZrO2. Przewodnictwo jonowe w elektrolicie jest zapewnione przez jony tlenu (O2-). Wykorzystanie substancji stałej jako elektrolitu czyni system stabilniejszym i bezpieczniejszym niż w przypadku MCFC. Nie powstają przecieki, a ogniwu można nadać różne kształty, jak rurowy, planarny, monolityczny.  Zazwyczaj temperatura pracy wynosi około °C, ale jest pożądane skonstruowanie ogniwa pracującego w niższej temperaturze, około 650 °C. To oczywiście obniża przewodność obecnie stosowanych materiałów elektrolitycznych. Tak jak w MCFC nie potrzeba drogich metali na elektrody, bo kinetyka jest wystarczająco szybka w tych temperaturach. Zazwyczaj anoda jest na bazie ceramik niklowych lub kobaltowych (Co-ZrO2 lub Ni-ZrO2), a katoda to LaSrMnO3 stabilizowane Y2O3.. Reakcje elektrodowe ukazane są poniżej. Utlenienie wodoru na anodzie: H2 + O2 → H2O + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: ½O2 + 2e → O2- Sumaryczna reakcja w SOFC: H2 + ½O2 → H2O

20 Z powodu pracy w wysokiej temperaturze nie potrzebują drogich katalizatorów jak to ma miejsce w ogniwach z membraną do wymiany protonów. Oznacza to ze nie są wrażliwe na zanieczyszczenia tlenkiem węgla co czyni je dosyć elastycznymi jeśli chodzi o rodzaj paliwa Największe ogniwo SOFC na świecie (moc 250 KW) wyprodukowane przez Siemens Westinghouse we współpracy z Kinetrics, Ontario Power Generation i inne organizacje.

21 ZASTOSOWANIA OGNIW PALIWOWYCH:
Poniższa tabela prezentuje nam w jakim stopniu i do jakich zastosowań obecnie stosuje się ogniwa paliwowe.

22 ZASTOSOWANIA STACJONARNE:
Spośród pięciu podstawowych typów ogniw paliwowych, jedynie ogniwa alkaliczne (ACF) nie budzą zainteresowania energetyki (choć pewne próby się prowadzi, więc nie warto z góry orzekać o ich całkowitej nieprzydatności). Nad pozostałymi, czyli ogniwami z kwasem fosforowym (PAFC), ze stopionymi węglanami (MCFC), polimerowymi (PEM) i stałotlenkowymi (SOFC) prace trwają. Stacjonarne systemy zasilające to najbardziej wypróbowane i przetestowane zastosowania ogniw paliwowych, które były obiektem intensywnych badań i inwestycji w ostatnich 30 latach. W przeciągu tych lat nastąpił intensywny rozwój tej technologii - szczególnie w systemach o dużej mocy. Zmieniły się także proporcje pomiędzy różnymi technologiami które konkurują ze sobą na rynku. Na chwilę obecną ocenia się ze wybudowano ok. 650 dużych stacjonarnych układów. Jest to ogólna liczba jednostek których moc przekracza 10 kW, chociaż średnia moc tych systemów wynosi około 200 kW – duże skupienie na systemach dużej mocy. Dla przykładu najmniejsze ogniwo MCFC ma moc 250 kW, podczas gdy największe zbudowane ogniwo ma moc 11 MW - jest to ogniwo PAFC, zostało wyprodukowane przez Toshibę.

23 Ogólna liczba w poszczególnych latach
Poniższe wykresy obrazują ogólną liczbę stacjonarnych systemów w poszczególnych latach , jak również ich przyrost w poszczególnych latach: Ogólna liczba w poszczególnych latach

24 Przyrost w poszczególnych latach

25 TECHNOLOGIA: Główna przyczyną takiego wzrostu liczby systemów jest różnorodność technologii które są i które dopiero zostają wprowadzane i testowane. Jeszcze w 2002 roku technologia PAFC była dominująca obecnie pojawia się coraz więcej konkurencyjnych rozwiązań. Po 30 latach dominacji zostaje powoli wypierana głównie przez trzy inne rozwiązania technologiczne.Są to ogniwa MCFC , PEMFC i SOFC. W 2003 roku technologia MCFC zaczęła dominować po latach badan i inwestycji w nią przez amerykański i japoński rząd. Jest to obiecująca technologia chociaż nie gwarantuje ona sukcesu. Systemy te musza okazać się wytrzymałe i tanie w produkcji, co nie będzie łatwe z uwagi na korozyjne właściwości elektrolitu w ogniwach MCFC. Poniżej przedstawiamy procentowy udział poszczególnych technologii w rynku w poszczególnych latach:

26 MCFC oraz SOFC są to ogniwa wysokotemperaturowe i pracują z wysokimi wydajnościami, szczególnie wtedy kiedy ciepło przez nie wytworzone i/lub gdy ogniwo jest zintegrowane z turbina gazowa ( rozwiązanie to spotyka się z coraz większym zainteresowaniem ). Obydwie technologie zaprojektowane są na moce granicach od 250 kW do wielu MW. Na chwile obecna SOFC jest jeszcze wiele lat do tyłu jeśli chodzi o zaawansowanie technologiczne, ale do końca obecnej dekady powinno być mocnym konkurentem na rynku, sądząc po liczbie organizacji zaangażowanych w rozwój tej technologii Razem z MCFC i SOFC spodziewamy się ze swój udział w rynku zdobędzie PEMFC – głownie w systemach gdzie potrzeba mniejszych mocy około 250 kW i mniej. Swoje zastosowanie mogą znaleźć w transporcie – autobusach i samochodach osobowych. Firma General Motors już ogłosiła ze wykorzysta 75 kW jednostki oparte na ogniwach PEMFC.

27 WYBÓR PALIWA Następnym interesującym aspektem ostatnich badan i rozważań jest wybór paliwa. Chociaż spodziewa się ze gaz ziemny zachowa swoja dominująca pozycje, pojawia się jednak rosnąca liczba nowych rozwiązań. Dla przykładu biogaz z odpadków spożywczych oraz gaz uzyskany z przetwórstwa ścieków znalazły zastosowanie w wielu ogniwach. Takim ogniwem jest 100 kW ogniwo PAFC wyprodukowane przez Fuji Electric w Kobe w Japonii, które produkuje energie z odpadków kuchennych zbieranych z hoteli i przetwarzanych w procesie fermentacji na metan. Rozwijane są także technologie pozyskujące gaz do zasilania ogniw uzyskany np. z drewna

28 Poniższy diagram obrazuje zastosowanie różnego typu paliw do ogniw:

29 Kolejnym źródłem paliwa jest metan z kopalni, który w większości przypadków jest uwalniany do atmosfery a teraz jest stosowany np. do zasilania 250 kW ogniwa typu MCFC w kopalni węgla w Ohio USA. Projekt ten jest wspierany przez amerykański Departament Energii. Sam węgiel jako taki może być tez wykorzystany do produkcji paliwa w procesie zgazowania węgla w którym to przetwarza się go w łatwopalne gazy, m.in. tlenek węgla, wodór i metan. Będzie to źródłem paliwa dla 2 MW ogniwa MCFC działającego w Coal Gasification Site w Indianie w USA. Mamy też w końcu możliwości wykorzystania wodoru w dużych stacjonarnych ogniwach, tam gdzie gaz jest produktem ubocznym w procesach produkcyjnych w zakładach chemicznych.

30 Poniższy diagram pokazuje nam rozmieszczenie dużych stacjonarnych systemów na świecie z podziałem na liczbę i na zainstalowana moc:

31 Jak widać prym w tych technologiach wiodą głównie Japonia i USA oraz w mniejszym stopniu Europa
Najwięcej wsparcia w rozwój technologii udzielił rząd japoński, który już na początku lat 80 razem z japońskimi firmami takimi jak Tokio Gas i Osaka Gas wdrażał i testował stacjonarne systemy zasilania ogniwami paliwowymi. Wsparcie rządu USA było i jest znaczne, szczególnie ze strony Departamentu Energii i Departamentu Obrony, który prowadził program demonstracyjny ogniw PAFC w 30 jednostkach wojskowych od 1994 roku. W Europie prym w tym sektorze wiodą Niemcy z niemal 60 procentami mocy zainstalowanej - ponad trzy razy więcej niż Włochy, drugi pod względem udziału kraj w Europie. Ich przykłady także pokazują jak ważna jest pomoc rządowa w badaniu i we wdrażaniu nowych technologii. Jeśli chodzi o resztę świata to stoi daleko w tyle.

32 Podsumowanie zastosowań stacjonarnych
Sektor dużych stacjonarnych ogniw paliwowych rozwija się dobrze szczególnie pod względem technicznym i przewiduje się ze tak będzie dalej w przeciągu następnych kilku lat . Jednak aby zobaczyć jakąś perspektywę powszechnego ich zastosowania ogniwa muszą sprostać dwóm bardzo ważnym wymaganiom rynkowym – muszą być wytrzymałe oraz musi obniżyć się ich koszt. Dla przykładu cena systemu PAFC wynosi 4,5 tys. USD za kilowat mocy a pierwsza generacja ogniw MCFC kosztuje ok. 10 tys. USD za kilowat. Nie są jeszcze znane koszty produkcji ogniw PEMFC ani SOFC. Liczby te jednak nie mogą być bezpośrednio porównywane z kosztami jakie maja miejsce przy klasycznych systemach, ponieważ koszty późniejszej eksploatacji ogniw są generalnie mniejsze z powodu większej efektywności i mniejszej ilości ruchomych części. Zyski dla środowiska, trudne poniekąd do oszacowania także powinny zostać wzięte pod uwagę. Gdyby udało się przezwyciężyć te trudności ogniwa paliwowe mogłyby zacząć odgrywać bardzo dużą rolę w energetyce zawodowej. Można by zacząć budować elektrownie na ich bazie. Podłączenie do systemu elektroenergetycznego musiało by wymagać zastosowania energoelektroniki ( ogniwa te bowiem wytwarzają prąd stały), jednak nie stanowiło by to większego problemu. Już dzisiaj w wielu miejscach funkcjonują stacje przekształtnikowe bardzo dużych mocy zamieniające prąd stały na przemienny i odwrotnie. Stosuje się je do łączenia niezsynchronizowanych systemów elektroenergetycznych. Przykładem jest tutaj linia prądu stałego 450 kV Słupsk – Starno łącząca Polskę ze Szwecją, przetwarzająca moc ok. 600 MW.

33 ZASTOSOWANIA W TRANSPORCIE :
Jedno z pierwszych zastosowań ogniw paliwowych, z powodu ich zalet, miało miejsce podczas amerykańskiego programu kosmicznego. Trzy modułu alkalicznych ogniw paliwowych dostarczały po 12 kW energii elektrycznej podczas misji Apollo w latach sześćdziesiątych XX w. W roku 1970 profesor Karl Kordesch z uniwersytetu w Graz w Austrii zbudował pierwszy samochód zasilany ogniwami paliwowymi. Był to samochód hybrydowy z alkalicznym ogniwem paliwowym o mocy 6 kW, ołowiowym akumulatorem i silnikiem elektrycznym o mocy 20 kW. Od tamtego czasu pole zastosowań przenośnych powiększyło się. Przemysł samochodowy jest bez wątpienia najaktywniejszym inwestorem w obszarze ogniw paliwowych i pompuje miliardy dolarów każdego roku w badania i rozwój

34 Hybrydowy samochód z ogniwem paliwowym firmy Kordesch, 1970.

35 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 ogólna wydajność jest wyższa dla ogniw paliwowych.

36 Samochód GM Opel Zaphira z ogniwem paliwowym

37 Krótki czas reakcji oraz krótki czas rozruchu to jedne z najważniejszych wymogów wobec samochodów. Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe jak MCFC i SOFC nie nadają się dobrze do tego, bo są bardziej skomplikowane i mają dłuższe czasy rozruchu niż PEMFC i DMFC. Poważnym problemem jest działanie w temperaturach ujemnych. Ponieważ membrana zawiera duże ilości wody, należy zabezpieczyć ją przed zamarznięciem

38 We współczesnych samochodach można dostrzec, że zestaw ogniw paliwowych, to tylko mała część układu. Kompresor powietrza, pompa, nawilżacz gazu i jednostka kontrolna z przetwarzaczem prądu stałego są wymagane, aby zapewnić stabilną i bezpieczną pracę. Mała ilość dostępnej w pojeździe przestrzeni ogranicza wdrożenie całego układu. Kilka części musi zostać specjalnie dopracowanych do potrzeb współczesnych samochodów. W przypadku PEMFC przechowywanie wodoru jest wciąż kłopotliwe. Żadna z dostępnych technologii przechowywania wodoru: pod ciśnieniem, w postaci skroplonej lub jako wodorki metali, nie jest zadowalająca.

39 ZASTOSOWANIE W PRZENOŚNYCH UKŁADACH
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. Do tych zastosowań wymyślono nowe ogniwo. Nazywa się Miniature Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), co oznacza miniaturowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem metanolem. Metanolem, ponieważ kłopotliwy w przechowywaniu wodór zastąpiono właśnie alkoholem metylowym.

40 Jedno kompletne ogniwo DMFC ma oferować pojemność pięciokrotnie większą od akumulatora LiION, przy takiej samej wadze i rozmiarach. Oznacza to, że typowy telefon komórkowy mógłby pracować około miesiąca. Ponieważ jest niemożliwe konwencjonalne ładowanie takiego ogniwa, planuje się zaopatrywanie go w metanol w postaci tanich zbiorniczków, bardzo podobnych do tych z atramentem do wiecznych piór. Ogniwo zostało opracowane we współpracy Motoroli i Los Alamos Laboratories. Ładowarka DMFC do komórek, Mechanical Technologies. 

41 Rozmiary ogniwa paliwowego decydują o maksymalnej mocy, a ilość zgromadzonego paliwa decyduje o czasie pracy (innymi słowy o maksymalnej energii). W bateriach moc i energia są ściśle związane z geometrią. Laptop zużywa około 20 W i może działać przez 2-3 godziny, podczas gdy telefon komórkowy potrzebuje jedynie 2-5 W i może pozostawać w trybie uśpienia przez maksymalnie 10 dni. Ogniwa paliwowe mają wyższą teoretyczną gęstość energii niż dzisiejsze baterie i w przeciwieństwie do długiego czasu ładowania baterii można je "naładować" poprzez napełnienie baku. Po pewnym czasie działania pojemność baterii ładowalnych spada z powodu wielu cykli ładowania. Potrzeba jeszcze badań by to potwierdzić, ale wydaje się, że ogniwa paliwowe mają potencjalnie wyższą żywotność. Dzięki odseparowaniu paliwa i konwertera samorozładowanie też nie jest problemem. PEMFC i DMFC są brane pod uwagę do zastosowań przenośnych.

42 Sektor urządzeń przenośnych rozwija się intensywnie, urządzenia posiadają coraz więcej funkcji i możliwości. To zwiększa zapotrzebowanie na energię. Przewiduje się, że dostępne dziś baterie nie będą wkrótce wystarczające. Ogniwa paliwowe prawdopodobnie wkroczą na rynek urządzeń przenośnych, ale kilka zagadnień wciąż wymaga rozwiązania. -Ogniwo PEM zintegrowane z laptopem, Fraunhofer ISE

43 Niemal wszystkie firmy produkujące urządzenia przenośne są zaangażowane w badania nad ogniwami paliwowymi i wiele już zaprezentowało wyniki lub nawet prototypy. Ponadto istnieje kilka firm i instytutów badawczych, które pracują nad ogniwami paliwowymi o małej mocy. Dużo firm ogłosiło już planowaną datę wypuszczenia ogniw paliwowych na rynek. Firma Nokia deklarowała że w najbliższym czasie wypuści na rynek telefony komórkowe zasilane ogniwami paliwowymi w którym paliwem byłby metanol, jednak spowodowało to trochę więcej kłopotów technicznych ale przede wszystkim natury prawnej. W samolotach nie można na przykład przewozić paliw w tym metanolu. Musimy więc poczekać na zmianę przepisów uwzględniająca pojawienie się nowych technologii. Skrzynka zasilająca z ogniwami paliwowymi do zastosowań domowo-biurowych, Masterflex

44 Stacjonarne FC Transport/bus FC Przenosne FC Cell.Ph. FC Laptop FC

45 Ogniwo paliwowe z dzisiejszej niemieckiej łodzi podwodnej
Baterie typu AA spotykane w wielu urządzeniach codziennego użytku Akumulator samochodowy 12V

46 Paliwa gazowe & ciekłe vs stałe 1937 1986 2001 ?