Elektronika mobilna staje się coraz bardziej dostępna i powszechna z każdym rokiem, jeśli nie miesiącem. Znajdziesz tu laptopy, urządzenia PDA, aparaty cyfrowe, telefony komórkowe i mnóstwo innych przydatnych i mniej przydatnych urządzeń. Wszystkie te urządzenia stale zyskują nowe funkcje, mocniejsze procesory, większe kolorowe ekrany, komunikację bezprzewodową, a jednocześnie zmniejszają się. Jednak w przeciwieństwie do technologii półprzewodnikowych, technologie zasilania całej mobilnej menażerii nie rozwijają się skokowo.

Konwencjonalne baterie i akumulatory stają się wyraźnie niewystarczające do zasilania najnowszych osiągnięć przemysłu elektronicznego przez dłuższy czas. A bez niezawodnych i pojemnych akumulatorów traci się cały sens mobilności i bezprzewodowości. Dlatego branża komputerowa coraz aktywniej pracuje nad tym problemem alternatywne źródła zasilania. Najbardziej obiecującym kierunkiem dzisiaj jest ogniwa paliwowe.

Podstawową zasadę działania ogniw paliwowych odkrył brytyjski naukowiec Sir William Grove w 1839 roku. Nazywany jest ojcem „ogniwa paliwowego”. William Grove wytwarzał energię elektryczną, zmieniając ją w celu ekstrakcji wodoru i tlenu. Po odłączeniu akumulatora od ogniwa elektrolitycznego Grove ze zdziwieniem stwierdził, że elektrody zaczęły absorbować uwolniony gaz i wytwarzać prąd. Otwarcie procesu elektrochemiczne „zimne” spalanie wodoru stało się znaczącym wydarzeniem w branży energetycznej, a później tak znani elektrochemicy jak Ostwald i Nernst odegrali główną rolę w opracowaniu podstaw teoretycznych i praktycznym zastosowaniu ogniw paliwowych oraz przepowiedzieli im wspaniałą przyszłość.

Ja termin „ogniwo paliwowe” pojawił się później – został zaproponowany w 1889 roku przez Ludwiga Monda i Charlesa Langera, którzy próbowali stworzyć urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

Podczas normalnego spalania w tlenie następuje utlenianie paliwa organicznego, a energia chemiczna paliwa jest nieefektywnie przekształcana w energię cieplną. Okazało się jednak, że możliwe jest przeprowadzenie reakcji utleniania, na przykład wodoru, tlenem, w środowisku elektrolitu i w obecności elektrod, uzyskanie prądu elektrycznego. Przykładowo dostarczając wodór do elektrody znajdującej się w ośrodku zasadowym uzyskujemy elektrony:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

które przechodząc przez obwód zewnętrzny docierają do przeciwnej elektrody, do której przepływa tlen i gdzie zachodzi reakcja: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Można zauważyć, że powstająca reakcja 2H2 + O2 → H2O przebiega tak samo jak podczas konwencjonalnego spalania, tyle że w ogniwie paliwowym, lub inaczej – w generator elektrochemiczny W rezultacie powstaje prąd elektryczny o dużej wydajności i częściowo wytwarzający ciepło. Należy pamiętać, że ogniwa paliwowe mogą również wykorzystywać węgiel, tlenek węgla, alkohole, hydrazynę i inne substancje organiczne jako paliwo, a powietrze, nadtlenek wodoru, chlor, brom, kwas azotowy itp. jako środki utleniające.

Rozwój ogniw paliwowych był kontynuowany dynamicznie zarówno za granicą, jak i w Rosji, a następnie w ZSRR. Wśród naukowców, którzy wnieśli wielki wkład w badania ogniw paliwowych, zauważamy V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. W połowie ubiegłego wieku rozpoczął się nowy atak na problemy ogniw paliwowych. Częściowo wynika to z pojawienia się nowych pomysłów, materiałów i technologii w wyniku badań nad obronnością.

Jednym z naukowców, który zrobił znaczący krok w rozwoju ogniw paliwowych, był P. M. Spiridonov. Pierwiastki wodorowo-tlenowe Spiridonowa dał gęstość prądu na poziomie 30 mA/cm2, co w tamtym czasie uznano za wielkie osiągnięcie. W latach czterdziestych O. Davtyan stworzył instalację do elektrochemicznego spalania gazu generatorowego otrzymywanego w wyniku zgazowania węgla. Na każdy metr sześcienny objętości elementu Davtyan otrzymał 5 kW mocy.

To było pierwsze ogniwo paliwowe ze stałym elektrolitem. Miał wysoką wydajność, ale z biegiem czasu elektrolit stał się bezużyteczny i wymagał wymiany. Następnie Davtyan pod koniec lat pięćdziesiątych stworzył potężną instalację napędzającą traktor. W tych samych latach angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował baterię ogniw paliwowych o łącznej mocy 6 kW i sprawności 80%, zasilaną czystym wodorem i tlenem, przy czym stosunek mocy do masy akumulator okazał się za mały – takie elementy nie nadawały się do praktycznego zastosowania i były zbyt drogie.

W kolejnych latach minął czas samotników. Twórcy statków kosmicznych zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Od połowy lat 60. zainwestowano miliony dolarów w badania nad ogniwami paliwowymi. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła nam osiągnąć nowy poziom, a w 1965 roku. ogniwa paliwowe testowano w Stanach Zjednoczonych na statku kosmicznym Gemini 5, a później na statku kosmicznym Apollo podczas lotów na Księżyc oraz w ramach programu Shuttle.

W ZSRR w NPO Kvant opracowano ogniwa paliwowe, również do użytku w kosmosie. W tych latach pojawiły się już nowe materiały - stałe elektrolity polimerowe na bazie membran jonowymiennych, nowe typy katalizatorów, elektrody. Mimo to gęstość prądu roboczego była niewielka – w granicach 100-200 mA/cm2, a zawartość platyny na elektrodach wynosiła kilka g/cm2. Było wiele problemów związanych z trwałością, stabilnością i bezpieczeństwem.

Kolejny etap szybkiego rozwoju ogniw paliwowych rozpoczął się w latach 90-tych. ubiegłego wieku i trwa do dziś. Jest to spowodowane zapotrzebowaniem na nowe, efektywne źródła energii w związku z jednej strony z globalnym problemem ekologicznym polegającym na zwiększaniu się emisji gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, a z drugiej strony z wyczerpywaniem się zapasów tego paliwa . Ponieważ w ogniwie paliwowym końcowym produktem spalania wodoru jest woda, uznawane są one za najczystsze pod względem oddziaływania na środowisko. Głównym problemem jest właśnie znalezienie skutecznego i niedrogiego sposobu na produkcję wodoru.

Miliardy dolarów inwestycji finansowych w rozwój ogniw paliwowych i generatorów wodoru powinny doprowadzić do przełomu technologicznego i sprawić, że ich zastosowanie w życiu codziennym stanie się rzeczywistością: w ogniwach do telefonów komórkowych, w samochodach, w elektrowniach. Już tacy motoryzacyjni giganci jak Ballard, Honda, Daimler Chrysler czy General Motors demonstrują samochody i autobusy napędzane ogniwami paliwowymi o mocy 50 kW. Rozwinęło się wiele firm elektrownie demonstracyjne wykorzystujące ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci stałego tlenku o mocy do 500 kW. Jednak pomimo znaczącego przełomu w poprawie właściwości ogniw paliwowych, wiele problemów związanych z ich kosztem, niezawodnością i bezpieczeństwem nadal wymaga rozwiązania.

W ogniwie paliwowym, w przeciwieństwie do baterii i akumulatorów, zarówno paliwo, jak i utleniacz dostarczane są do niego z zewnątrz. Ogniwo paliwowe jedynie pośredniczy w reakcji i w idealnych warunkach mogłoby działać praktycznie bez końca. Piękno tej technologii polega na tym, że ogniwo faktycznie spala paliwo i bezpośrednio przekształca uwolnioną energię w energię elektryczną. Kiedy paliwo jest spalane bezpośrednio, jest ono utleniane przez tlen, a uwolnione ciepło wykorzystywane jest do wykonywania użytecznej pracy.

W ogniwie paliwowym, podobnie jak w akumulatorach, reakcje utleniania paliwa i redukcji tlenu są oddzielone przestrzennie, a proces „spalania” zachodzi tylko wtedy, gdy ogniwo dostarcza prąd do obciążenia. To tak jak generator diesla, tylko bez diesla i generatora. A także bez dymu, hałasu, przegrzania i ze znacznie wyższą wydajnością. To ostatnie tłumaczy się tym, że po pierwsze nie ma pośrednich urządzeń mechanicznych, a po drugie ogniwo paliwowe nie jest silnikiem cieplnym i w związku z tym nie podlega prawu Carnota (tzn. o jego sprawności nie decyduje różnica temperatur).

Tlen jest stosowany jako środek utleniający w ogniwach paliwowych. Co więcej, ponieważ w powietrzu jest wystarczająca ilość tlenu, nie ma potrzeby martwić się o dostarczenie utleniacza. Jeśli chodzi o paliwo, jest to wodór. Zatem reakcja zachodzi w ogniwie paliwowym:

2H2 + O2 → 2H2O + prąd + ciepło.

Rezultatem jest użyteczna energia i para wodna. Najprostszy w swojej strukturze jest Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów(patrz rysunek 1). Działa to w następujący sposób: wodór wchodzący do pierwiastka rozkłada się pod działaniem katalizatora na elektrony i dodatnio naładowane jony wodorowe H+. Wtedy do akcji wkracza specjalna membrana, pełniąca rolę elektrolitu w konwencjonalnym akumulatorze. Ze względu na swój skład chemiczny umożliwia przejście protonów, ale zatrzymuje elektrony. W ten sposób elektrony zgromadzone na anodzie tworzą nadmierny ładunek ujemny, a jony wodoru tworzą ładunek dodatni na katodzie (napięcie na elemencie wynosi około 1 V).

Aby uzyskać dużą moc, ogniwo paliwowe składa się z wielu ogniw. Jeśli podłączysz element do obciążenia, elektrony przepłyną przez niego do katody, tworząc prąd i kończąc proces utleniania wodoru tlenem. Mikrocząstki platyny osadzone na włóknie węglowym są zwykle stosowane jako katalizator w takich ogniwach paliwowych. Katalizator taki dzięki swojej strukturze dobrze przepuszcza gaz i prąd. Membrana jest zwykle wykonana z polimeru Nafion zawierającego siarkę. Grubość membrany wynosi dziesiętne części milimetra. Podczas reakcji oczywiście wydziela się również ciepło, ale w niewielkiej ilości, dlatego temperatura robocza utrzymuje się w granicach 40-80°C.

Ryc.1. Zasada działania ogniwa paliwowego

Istnieją inne typy ogniw paliwowych, różniące się głównie rodzajem użytego elektrolitu. Prawie wszystkie z nich jako paliwo wymagają wodoru, pojawia się więc logiczne pytanie: skąd go zdobyć. Oczywiście można by zastosować sprężony wodór z butli, ale od razu pojawiają się problemy związane z transportem i magazynowaniem tego wysoce łatwopalnego gazu pod wysokim ciśnieniem. Oczywiście wodór można stosować w postaci związanej, jak w akumulatorach metalowo-wodorkowych. Jednak zadanie jego wydobycia i transportu nadal pozostaje, ponieważ nie ma infrastruktury do tankowania wodoru.

Jednak i tutaj istnieje rozwiązanie – jako źródło wodoru można wykorzystać ciekłe paliwo węglowodorowe. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. To prawda, że ​​\u200b\u200bwymaga to specjalnego dodatkowego urządzenia - konwertera paliwa, który w wysokich temperaturach (dla metanolu będzie to około 240 ° C) przekształca alkohole w mieszaninę gazowego H2 i CO2. Ale w tym przypadku już trudniej myśleć o przenośności - takich urządzeń dobrze jest używać jako stacjonarne lub, ale w przypadku kompaktowego sprzętu mobilnego potrzebujesz czegoś mniej nieporęcznego.

I tu dochodzimy do dokładnie urządzenia, które z straszliwą siłą rozwijają niemal wszyscy najwięksi producenci elektroniki – ogniwo paliwowe metanolowe(Rysunek 2).

Ryc.2. Zasada działania ogniwa paliwowego metanolowego

Podstawową różnicą pomiędzy ogniwami wodorowymi i metanolowymi jest zastosowany katalizator. Katalizator w ogniwie paliwowym metanolowym umożliwia bezpośrednie usuwanie protonów z cząsteczki alkoholu. Tym samym problem paliwa został rozwiązany – alkohol metylowy jest produkowany masowo dla przemysłu chemicznego, jest łatwy w przechowywaniu i transporcie, a do naładowania ogniwa paliwowego metanolowego wystarczy po prostu wymiana wkładu paliwowego. To prawda, że ​​\u200b\u200bjest jedna istotna wada - metanol jest toksyczny. Ponadto wydajność ogniwa paliwowego metanolowego jest znacznie niższa niż ogniwa wodorowego.

Ryż. 3. Ogniwo paliwowe metanolowe

Najbardziej kuszącą opcją jest wykorzystanie alkoholu etylowego jako paliwa, ponieważ produkcja i dystrybucja napojów alkoholowych o dowolnym składzie i mocy jest dobrze ugruntowana na całym świecie. Jednak wydajność ogniw paliwowych etanolowych jest niestety jeszcze niższa niż ogniw metanolowych.

Jak zauważono na przestrzeni wielu lat rozwoju w dziedzinie ogniw paliwowych, zbudowano różne typy ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są klasyfikowane według rodzaju elektrolitu i paliwa.

1. Stały polimerowy elektrolit wodorowo-tlenowy.

2. Ogniwa paliwowe ze stałego polimeru i metanolu.

3. Ogniwa elektrolitowe alkaliczne.

4. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego.

5. Elementy paliwowe na bazie stopionych węglanów.

6. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem.

W idealnym przypadku sprawność ogniw paliwowych jest bardzo wysoka, jednak w warunkach rzeczywistych występują straty związane z procesami nierównowagowymi, takie jak: straty omowe wynikające z przewodnictwa właściwego elektrolitu i elektrod, polaryzacja aktywacyjna i stężeniowa oraz straty dyfuzyjne. Dzięki temu część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamieniana jest na ciepło. Wysiłki specjalistów mają na celu ograniczenie tych strat.

Głównym źródłem strat omowych, a także przyczyną wysokiej ceny ogniw paliwowych, są perfluorowane sulfonowe membrany kationowymienne. Obecnie trwają poszukiwania alternatywnych, tańszych polimerów przewodzących protony. Ponieważ przewodność tych membran (elektrolitów stałych) osiąga dopuszczalną wartość (10 Ohm/cm) dopiero w obecności wody, gazy dostarczane do ogniwa paliwowego muszą być dodatkowo nawilżane w specjalnym urządzeniu, co również zwiększa koszt system. W katalitycznych elektrodach dyfuzyjnych wykorzystuje się głównie platynę i niektóre inne metale szlachetne i jak dotąd nie znaleziono dla nich zamiennika. Choć zawartość platyny w ogniwach paliwowych wynosi kilka mg/cm2, to w przypadku dużych akumulatorów jej ilość sięga kilkudziesięciu gramów.

Projektując ogniwa paliwowe, dużą uwagę zwraca się na system odprowadzania ciepła, gdyż przy dużych gęstościach prądu (do 1A/cm2) układ nagrzewa się samoczynnie. Do chłodzenia wykorzystuje się wodę krążącą w ogniwie paliwowym specjalnymi kanałami, a przy małych mocach – nadmuch powietrza.

Tak więc nowoczesny układ generatora elektrochemicznego, oprócz samego akumulatora ogniwa paliwowego, „zarasta” wieloma urządzeniami pomocniczymi, takimi jak: pompy, sprężarka do dostarczania powietrza, wtryskiwania wodoru, nawilżacz gazu, agregat chłodniczy, agregat gazowy system monitorowania wycieków, przetwornica DC-AC, procesor sterujący itp. Wszystko to powoduje, że koszt systemu ogniw paliwowych w latach 2004-2005 kształtował się na poziomie 2-3 tys. $/kW. Zdaniem ekspertów ogniwa paliwowe będą dostępne do stosowania w elektrowniach transportowych i stacjonarnych w cenie 50-100 dolarów/kW.

Aby wprowadzić do życia codziennego ogniwa paliwowe wraz z tańszymi komponentami, musimy spodziewać się nowych, oryginalnych pomysłów i podejść. Szczególnie duże nadzieje pokłada się w zastosowaniu nanomateriałów i nanotechnologii. Przykładowo kilka firm ogłosiło niedawno stworzenie ultrawydajnych katalizatorów, w szczególności do elektrod tlenowych, opartych na klastrach nanocząstek różnych metali. Ponadto pojawiły się doniesienia o konstrukcjach ogniw paliwowych bez membran, w których paliwo ciekłe (takie jak metanol) jest dostarczane do ogniwa paliwowego wraz z utleniaczem. Interesująca jest także rozwijająca się koncepcja ogniw biopaliwowych pracujących w zanieczyszczonych wodach i zużywających rozpuszczony tlen z powietrza jako utleniacz oraz zanieczyszczenia organiczne jako paliwo.

Zdaniem ekspertów ogniwa paliwowe wejdą na rynek masowy w nadchodzących latach. Rzeczywiście, programiści jeden po drugim pokonują problemy techniczne, ogłaszają sukcesy i prezentują prototypy ogniw paliwowych. Na przykład firma Toshiba zademonstrowała gotowy prototyp ogniwa paliwowego na metanol. Ma wymiary 22x56x4,5mm i wytwarza moc około 100mW. Jedno uzupełnienie 2 kostek stężonego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Toshiba wypuściła na rynek komercyjne ogniwo paliwowe do zasilania telefonów komórkowych. Ponownie ta sama Toshiba zademonstrowała ogniwo do zasilania laptopów o wymiarach 275x75x40mm, pozwalające na pracę komputera przez 5 godzin na jednym ładowaniu.

Niedaleko Toshiby pozostaje kolejna japońska firma, Fujitsu. W 2004 roku wprowadziła także element działający w 30% wodnym roztworze metanolu. To ogniwo paliwowe działało na jednym ładowaniu 300 ml przez 10 godzin i wytwarzało moc 15 W.

Casio opracowuje ogniwo paliwowe, w którym metanol jest najpierw przekształcany w mieszaninę gazów H2 i CO2 w miniaturowym konwerterze paliwowym, a następnie wprowadzany do ogniwa paliwowego. Podczas demonstracji prototyp Casio zasilał laptopa przez 20 godzin.

Samsung odcisnął swoje piętno także na ogniwach paliwowych – w 2004 roku zademonstrował swój 12-watowy prototyp przeznaczony do zasilania laptopa. Generalnie Samsung planuje wykorzystanie ogniw paliwowych przede wszystkim w smartfonach czwartej generacji.

Trzeba przyznać, że japońskie firmy generalnie podeszły do ​​rozwoju ogniw paliwowych bardzo szczegółowo. Już w 2003 roku firmy takie jak Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba połączyły siły, aby opracować jednolity standard ogniw paliwowych dla laptopów, telefonów komórkowych, urządzeń PDA i innych urządzeń elektronicznych. Amerykańskie firmy, których na tym rynku również jest sporo, pracują głównie na kontraktach z wojskiem i opracowują ogniwa paliwowe do elektryfikacji amerykańskich żołnierzy.

Niemcy nie pozostają daleko w tyle – firma Smart Fuel Cell zajmuje się sprzedażą ogniw paliwowych do zasilania mobilnego biura. Urządzenie nosi nazwę Smart Fuel Cell C25, ma wymiary 150x112x65mm i może dostarczyć do 140 watogodzin na jedno napełnienie. To wystarczy, aby zasilić laptopa na około 7 godzin. Następnie wkład można wymienić i można kontynuować pracę. Rozmiar wkładu metanolowego wynosi 99x63x27 mm i waży 150g. Sam system waży 1,1 kg, więc nie można go nazwać całkowicie przenośnym, ale wciąż jest urządzeniem w pełni kompletnym i wygodnym. Firma pracuje także nad modułem paliwowym do zasilania profesjonalnych kamer wideo.

Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa paliwowe niemal weszły na rynek elektroniki mobilnej. Producenci muszą jeszcze rozwiązać ostatnie problemy techniczne przed rozpoczęciem masowej produkcji.

W pierwszej kolejności należy rozwiązać kwestię miniaturyzacji ogniw paliwowych. Przecież im mniejsze ogniwo paliwowe, tym mniej mocy może wytworzyć – dlatego stale opracowywane są nowe katalizatory i elektrody, które pozwalają maksymalizować powierzchnię roboczą przy małych rozmiarach. Tutaj z pomocą przychodzą najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii i nanomateriałów (np. nanorurek). Ponownie, do miniaturyzacji orurowania elementów (pompy paliwa i wody, układy chłodzenia i konwersji paliwa) coraz częściej wykorzystuje się osiągnięcia mikroelektromechaniki.

Drugim ważnym problemem, który należy rozwiązać, jest cena. W końcu w większości ogniw paliwowych jako katalizator stosuje się bardzo drogą platynę. Ponownie niektórzy producenci starają się maksymalnie wykorzystać już ugruntowane technologie krzemowe.

Jeśli chodzi o inne obszary zastosowań ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe zadomowiły się już tam dość mocno, chociaż nie weszły jeszcze do głównego nurtu ani w sektorze energetycznym, ani w transporcie. Wielu producentów samochodów zaprezentowało już swoje samochody koncepcyjne napędzane ogniwami paliwowymi. Autobusy napędzane ogniwami paliwowymi kursują w kilku miastach na całym świecie. Canadian Ballard Power Systems produkuje gamę generatorów stacjonarnych o mocy od 1 do 250 kW. Jednocześnie generatory kilowatowe mają na celu natychmiastowe zaopatrzenie jednego mieszkania w prąd, ciepło i ciepłą wodę.

Ogniwo paliwowe ( Ogniwo paliwowe) to urządzenie przekształcające energię chemiczną w energię elektryczną. Jest on w zasadzie podobny do konwencjonalnego akumulatora, różni się jednak tym, że jego działanie wymaga stałego dopływu substancji z zewnątrz, aby zaszła reakcja elektrochemiczna. Wodór i tlen dostarczane są do ogniw paliwowych, a na wyjściu wytwarzana jest energia elektryczna, woda i ciepło. Do ich zalet zalicza się przyjazność dla środowiska, niezawodność, trwałość i łatwość obsługi. W odróżnieniu od konwencjonalnych akumulatorów, przetwornice elektrochemiczne mogą pracować praktycznie w nieskończoność, dopóki dostarczane jest paliwo. Nie trzeba ich ładować godzinami, aż do pełnego naładowania. Co więcej, same ogniwa potrafią ładować akumulator w czasie postoju samochodu z wyłączonym silnikiem.

Najszerzej stosowanymi ogniwami paliwowymi w pojazdach wodorowych są ogniwa paliwowe z membraną protonową (PEMFC) i ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC).

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów działa w następujący sposób. Pomiędzy anodą a katodą znajduje się specjalna membrana i katalizator pokryty platyną. Wodór jest dostarczany do anody, a tlen (na przykład z powietrza) jest dostarczany do katody. Na anodzie wodór rozkłada się na protony i elektrony za pomocą katalizatora. Protony wodoru przechodzą przez membranę i docierają do katody, a elektrony przenoszone są do obwodu zewnętrznego (membrana nie pozwala im przejść). Uzyskana w ten sposób różnica potencjałów prowadzi do wytworzenia prądu elektrycznego. Po stronie katody protony wodoru są utleniane przez tlen. W efekcie pojawia się para wodna, która jest głównym składnikiem spalin samochodowych. Posiadające wysoką wydajność ogniwa PEM mają jedną zasadniczą wadę – do ich pracy potrzebny jest czysty wodór, którego magazynowanie stanowi dość poważny problem.

Jeśli zostanie znaleziony taki katalizator, który zastąpi w tych ogniwach kosztowną platynę, wówczas natychmiast powstanie tanie ogniwo paliwowe do wytwarzania energii elektrycznej, co oznacza, że ​​świat pozbędzie się uzależnienia od ropy.

Ogniwa ze stałym tlenkiem

Ogniwa SOFC ze stałym tlenkiem są znacznie mniej wymagające pod względem czystości paliwa. Ponadto, dzięki zastosowaniu reformera POX (częściowe utlenianie), ogniwa takie mogą jako paliwo zużywać zwykłą benzynę. Proces bezpośredniej konwersji benzyny na energię elektryczną przebiega następująco. W specjalnym urządzeniu - reformerze, w temperaturze około 800 ° C benzyna odparowuje i rozkłada się na pierwiastki składowe.

Powoduje to uwolnienie wodoru i dwutlenku węgla. Ponadto, również pod wpływem temperatury i przy bezpośrednim zastosowaniu SOFC (składającego się z porowatego materiału ceramicznego na bazie tlenku cyrkonu), wodór ulega utlenieniu przez tlen zawarty w powietrzu. Po uzyskaniu wodoru z benzyny proces przebiega według opisanego powyżej scenariusza, z jedną tylko różnicą: ogniwo paliwowe SOFC w odróżnieniu od urządzeń pracujących na wodorze jest mniej wrażliwe na zanieczyszczenia zawarte w pierwotnym paliwie. Zatem jakość benzyny nie powinna wpływać na działanie ogniwa paliwowego.

Istotną wadą jest wysoka temperatura pracy SOFC (650–800 stopni), a proces nagrzewania zajmuje około 20 minut. Ale nadmiar ciepła nie stanowi problemu, ponieważ jest całkowicie usuwany przez pozostałe powietrze i gazy spalinowe wytwarzane przez reformer i samo ogniwo paliwowe. Dzięki temu system SOFC można zintegrować z pojazdem jako osobne urządzenie w izolowanej termicznie obudowie.

Modułowa budowa pozwala na osiągnięcie wymaganego napięcia poprzez połączenie szeregowe zestawu standardowych ogniw. I co być może najważniejsze z punktu widzenia realizacji tego typu urządzeń, SOFC nie zawiera bardzo drogich elektrod na bazie platyny. To właśnie wysoki koszt tych elementów jest jedną z przeszkód w rozwoju i upowszechnieniu technologii PEMFC.

Rodzaje ogniw paliwowych

Obecnie istnieją następujące typy ogniw paliwowych:

• AFC– Alkaliczne ogniwo paliwowe (alkaliczne ogniwo paliwowe);
• PAFC– Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym);
• PEMFC– Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów);
• DMFC– Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem (ogniwo paliwowe z bezpośrednim rozkładem metanolu);
• MCFC– Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu (ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu);
• SOFC– Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem).

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które wydajnie wytwarza ciepło i prąd stały w drodze reakcji elektrochemicznej i wykorzystuje paliwo bogate w wodór. Zasada działania jest podobna do zasady działania baterii. Strukturalnie ogniwo paliwowe jest reprezentowane przez elektrolit. Co w tym takiego specjalnego? W przeciwieństwie do akumulatorów, wodorowe ogniwa paliwowe nie magazynują energii elektrycznej, nie wymagają prądu do ładowania i nie rozładowują się. Ogniwa nadal wytwarzają energię elektryczną, dopóki mają dopływ powietrza i paliwa.

Osobliwości

Różnica między ogniwami paliwowymi a innymi generatorami prądu polega na tym, że nie spalają one paliwa podczas pracy. Dzięki tej funkcji nie wymagają wirników wysokociśnieniowych i nie emitują głośnego hałasu ani wibracji. Energia elektryczna w ogniwach paliwowych wytwarzana jest w wyniku cichej reakcji elektrochemicznej. Energia chemiczna paliwa w takich urządzeniach zamieniana jest bezpośrednio na wodę, ciepło i energię elektryczną.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych. Produktem emisji podczas pracy ogniwa jest niewielka ilość wody w postaci pary wodnej i dwutlenku węgla, która nie jest uwalniana w przypadku stosowania jako paliwa czystego wodoru.

Historia wyglądu

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych rosnące zapotrzebowanie NASA na źródła energii na potrzeby długoterminowych misji kosmicznych spowodowało jedno z najważniejszych wyzwań dla istniejących wówczas ogniw paliwowych. Ogniwa alkaliczne wykorzystują jako paliwo tlen i wodór, które w wyniku reakcji elektrochemicznej przekształcają się w produkty uboczne przydatne podczas lotów kosmicznych – energię elektryczną, wodę i ciepło.

Ogniwa paliwowe odkryto po raz pierwszy na początku XIX wieku – w 1838 roku. W tym samym czasie pojawiły się pierwsze informacje o ich skuteczności.

Prace nad ogniwami paliwowymi wykorzystującymi elektrolity alkaliczne rozpoczęły się pod koniec lat trzydziestych XX wieku. Ogniwa z niklowanymi elektrodami pracującymi pod wysokim ciśnieniem wynaleziono dopiero w 1939 roku. Podczas II wojny światowej dla brytyjskich okrętów podwodnych opracowano ogniwa paliwowe składające się z ogniw alkalicznych o średnicy około 25 centymetrów.

Zainteresowanie nimi wzrosło w latach 50.-80. XX w., charakteryzujących się niedoborem paliwa naftowego. Kraje na całym świecie zaczęły zajmować się kwestiami zanieczyszczenia powietrza i środowiska, starając się opracować przyjazną dla środowiska technologię produkcji ogniw paliwowych, która obecnie znajduje się w fazie aktywnego rozwoju.

Zasada działania

Ciepło i prąd powstają w ogniwach paliwowych w wyniku reakcji elektrochemicznej z udziałem katody, anody i elektrolitu.

Katoda i anoda są oddzielone elektrolitem przewodzącym protony. Gdy tlen dostanie się do katody, a wodór do anody, rozpoczyna się reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje ciepło, prąd i woda.

Dysocjuje na katalizatorze anodowym, co prowadzi do utraty elektronów. Jony wodoru dostają się do katody przez elektrolit, natomiast elektrony przechodzą przez zewnętrzną sieć elektryczną i wytwarzają prąd stały, który służy do zasilania sprzętu. Cząsteczka tlenu na katalizatorze katodowym łączy się z elektronem i przychodzącym protonem, ostatecznie tworząc wodę, która jest jedynym produktem reakcji.

Typy

Wybór konkretnego typu ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania. Wszystkie ogniwa paliwowe dzielą się na dwie główne kategorie – wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Te ostatnie wykorzystują jako paliwo czysty wodór. Urządzenia takie zazwyczaj wymagają przetworzenia paliwa pierwotnego na czysty wodór. Proces odbywa się przy użyciu specjalnego sprzętu.

Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe tego nie potrzebują, ponieważ przetwarzają paliwo w podwyższonych temperaturach, eliminując potrzebę infrastruktury wodorowej.

Zasada działania wodorowych ogniw paliwowych opiera się na przemianie energii chemicznej w energię elektryczną bez nieefektywnych procesów spalania oraz przemianie energii cieplnej w energię mechaniczną.

Pojęcia ogólne

Wodorowe ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne wytwarzające energię elektryczną w drodze wysoce wydajnego „zimnego” spalania paliwa. Istnieje kilka rodzajów takich urządzeń. Za najbardziej obiecującą technologię uważa się ogniwa paliwowe wodorowo-powietrzne wyposażone w membranę do wymiany protonów PEMFC.

Membrana polimerowa przewodząca protony ma na celu oddzielenie dwóch elektrod - katody i anody. Każdy z nich jest reprezentowany przez matrycę węglową z osadzonym na niej katalizatorem. dysocjuje na katalizatorze anodowym, oddając elektrony. Kationy są przewodzone do katody przez membranę, ale elektrony są przenoszone do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie jest zaprojektowana do przenoszenia elektronów.

Cząsteczka tlenu na katalizatorze katodowym łączy się z elektronem z obwodu elektrycznego i przychodzącym protonem, ostatecznie tworząc wodę, która jest jedynym produktem reakcji.

Wodorowe ogniwa paliwowe służą do produkcji zespołów membranowo-elektrodowych, które pełnią rolę głównych elementów wytwórczych systemu energetycznego.

Zalety wodorowych ogniw paliwowych

Wśród nich są:

• Zwiększona pojemność cieplna właściwa.
• Szeroki zakres temperatur pracy.
• Żadnych wibracji, hałasu i plam cieplnych.
• Niezawodność zimnego rozruchu.
• Brak samorozładowania, co zapewnia długotrwałe magazynowanie energii.
• Nieograniczona autonomia dzięki możliwości regulacji energochłonności poprzez zmianę ilości wkładów paliwowych.
• Zapewnienie praktycznie dowolnej energochłonności poprzez zmianę pojemności magazynowania wodoru.
• Długa żywotność.
• Cicha i przyjazna dla środowiska praca.
• Wysoki poziom energochłonności.
• Tolerancja na obce zanieczyszczenia w wodorze.

Obszar zastosowań

Ze względu na wysoką wydajność wodorowe ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach:

• Przenośne ładowarki.
• Systemy zasilania bezzałogowych statków powietrznych.
• Zasilacze bezprzerwowe.
• Inne urządzenia i sprzęt.

Perspektywy energetyki wodorowej

Powszechne zastosowanie ogniw paliwowych na nadtlenek wodoru będzie możliwe dopiero po stworzeniu skutecznej metody wytwarzania wodoru. Aby technologia mogła zostać aktywnie wykorzystana, potrzebne są nowe pomysły, przy czym duże nadzieje pokłada się w koncepcji ogniw biopaliwowych i nanotechnologii. Niektóre firmy stosunkowo niedawno wypuściły na rynek skuteczne katalizatory na bazie różnych metali, jednocześnie pojawiła się informacja o stworzeniu ogniw paliwowych bez membran, co pozwoliło znacznie obniżyć koszty produkcji i uprościć konstrukcję tego typu urządzeń. Zalety i właściwości wodorowych ogniw paliwowych nie przeważają nad ich główną wadą - wysokim kosztem, szczególnie w porównaniu z urządzeniami węglowodorowymi. Na utworzenie jednej elektrowni wodorowej potrzeba minimum 500 tys. dolarów.

Jak złożyć wodorowe ogniwo paliwowe?

Ogniwo paliwowe małej mocy możesz samodzielnie stworzyć w zwykłym domowym lub szkolnym laboratorium. Wykorzystane materiały to stara maska ​​gazowa, kawałki plexi, wodny roztwór alkoholu etylowego i zasady.

Korpus wodorowego ogniwa paliwowego jest tworzony własnymi rękami z plexi o grubości co najmniej pięciu milimetrów. Przegrody między przedziałami mogą być cieńsze - około 3 milimetry. Pleksiglas skleja się specjalnym klejem na bazie chloroformu lub dichloroetanu i wiórami plexi. Wszystkie prace są wykonywane tylko przy pracującym kapturze.

W zewnętrznej ścianie obudowy wierci się otwór o średnicy 5-6 centymetrów, w który wkłada się gumowy korek i szklaną rurkę spustową. Węgiel aktywny z maski gazowej wlewany jest do drugiej i czwartej komory obudowy ogniwa paliwowego – posłuży on jako elektroda.

W pierwszej komorze paliwo będzie krążyć, natomiast piąta wypełniona będzie powietrzem, z którego będzie dostarczany tlen. Elektrolit wlany pomiędzy elektrody jest impregnowany roztworem parafiny i benzyny, aby zapobiec przedostawaniu się go do komory powietrznej. Na warstwę węgla układane są miedziane płytki z przylutowanymi do nich drutami, przez które będzie odprowadzany prąd.

Zmontowane wodorowe ogniwo paliwowe ładuje się wódką rozcieńczoną wodą w stosunku 1:1. Do powstałej mieszaniny ostrożnie dodaje się żrący potas: 70 gramów potasu rozpuścić w 200 gramach wody.

Przed badaniem wodorowego ogniwa paliwowego do pierwszej komory wlewa się paliwo, a do trzeciej elektrolit. Wskazanie woltomierza podłączonego do elektrod powinno wahać się od 0,7 do 0,9 wolta. Aby zapewnić ciągłą pracę elementu, należy usunąć zużyte paliwo, a nowe przelać przez gumową rurkę. Naciskając rurkę reguluje się ilość podawanego paliwa. Takie wodorowe ogniwa paliwowe, montowane w domu, mają niewielką moc.

Z punktu widzenia „zielonej” energii wodorowe ogniwa paliwowe charakteryzują się niezwykle wysoką sprawnością sięgającą 60%. Dla porównania: sprawność najlepszych silników spalinowych wynosi 35-40%. W przypadku elektrowni słonecznych współczynnik wynosi tylko 15-20%, ale jest w dużym stopniu zależny od warunków pogodowych. Sprawność najlepszych farm wiatrowych wirnikowych sięga 40% i jest porównywalna z wytwornicami pary, ale turbiny wiatrowe również wymagają odpowiednich warunków atmosferycznych i kosztownej konserwacji.

Jak widać, pod względem tego parametru energia wodorowa jest najatrakcyjniejszym źródłem energii, jednak nadal istnieje szereg problemów, które uniemożliwiają jej masowe wykorzystanie. Najważniejszym z nich jest proces produkcji wodoru.

Problemy górnictwa

Energia wodorowa jest przyjazna dla środowiska, ale nie autonomiczna. Do działania ogniwo paliwowe wymaga wodoru, który w czystej postaci nie występuje na Ziemi. Wodór trzeba produkować, ale wszystkie obecnie istniejące metody są albo bardzo drogie, albo nieskuteczne.

Za najbardziej efektywną metodę pod względem ilości wytworzonego wodoru na jednostkę zużytej energii uważa się metodę reformingu parowego gazu ziemnego. Metan łączy się z parą wodną pod ciśnieniem 2 MPa (około 19 atmosfer, czyli ciśnienie na głębokości około 190 m) i temperaturze około 800 stopni, w wyniku czego powstaje gaz przetworzony o zawartości wodoru 55-75%. Reforming parowy wymaga ogromnych instalacji, które można wykorzystać wyłącznie w produkcji.

Piec rurowy do parowego reformingu metanu nie jest najbardziej ergonomicznym sposobem produkcji wodoru. Źródło: CTK-Euro

Wygodniejszą i prostszą metodą jest elektroliza wody. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez uzdatnianą wodę, zachodzi szereg reakcji elektrochemicznych, w wyniku których powstaje wodór. Istotną wadą tej metody jest duże zużycie energii potrzebnej do przeprowadzenia reakcji. Czyli dochodzi do nieco dziwnej sytuacji: do uzyskania energii wodorowej potrzebna jest... energia. Aby uniknąć niepotrzebnych kosztów podczas elektrolizy i zachować cenne zasoby, niektóre firmy starają się opracować systemy pełnego cyklu „prąd – wodór – prąd”, w których produkcja energii staje się możliwa bez zewnętrznego ładowania. Przykładem takiego systemu jest rozwój Toshiby H2One.

Mobilna elektrownia Toshiba H2One

Opracowaliśmy mobilną minielektrownię H2One, która zamienia wodę w wodór, a wodór w energię. Aby utrzymać elektrolizę, wykorzystuje panele słoneczne, a nadmiar energii jest magazynowany w akumulatorach, co zapewnia działanie systemu przy braku światła słonecznego. Powstały wodór jest albo bezpośrednio dostarczany do ogniw paliwowych, albo wysyłany do przechowywania w zintegrowanym zbiorniku. W ciągu godziny elektrolizer H2One wytwarza do 2 m 3 wodoru, a na wyjściu zapewnia moc do 55 kW. Do wyprodukowania 1 m 3 wodoru stacja potrzebuje aż 2,5 m 3 wody.

O ile stacja H2One nie jest w stanie dostarczyć prądu ani dużemu przedsiębiorstwu, ani całemu miastu, o tyle jej energia będzie w zupełności wystarczająca do funkcjonowania małych obszarów czy organizacji. Dzięki swojej przenośności może służyć również jako rozwiązanie tymczasowe podczas klęsk żywiołowych lub awaryjnych przerw w dostawie prądu. Ponadto, w przeciwieństwie do generatora diesla, który do prawidłowego działania potrzebuje paliwa, elektrownia wodorowa potrzebuje jedynie wody.

Obecnie Toshiba H2One jest używana tylko w kilku miastach w Japonii – dostarcza np. prąd i ciepłą wodę do stacji kolejowej w mieście Kawasaki.

Instalacja systemu H2One w Kawasaki

Przyszłość wodoru

Obecnie wodorowe ogniwa paliwowe dostarczają energię do przenośnych powerbanków, autobusów miejskich i transportu kolejowego. (Więcej o zastosowaniu wodoru w przemyśle motoryzacyjnym napiszemy w kolejnym poście). Wodorowe ogniwa paliwowe nieoczekiwanie okazały się doskonałym rozwiązaniem dla quadkopterów – przy podobnej masie do akumulatora, zasilanie wodorem zapewnia nawet pięciokrotnie dłuższy czas lotu. Jednak mróz w żaden sposób nie wpływa na wydajność. Do zdjęć z Igrzysk Olimpijskich w Soczi wykorzystano eksperymentalne drony na ogniwa paliwowe rosyjskiej firmy AT Energy.

Wiadomo było, że podczas zbliżających się Igrzysk Olimpijskich w Tokio wodór będzie wykorzystywany w samochodach, do produkcji prądu i ciepła, a także stanie się głównym źródłem energii dla wioski olimpijskiej. W tym celu na zlecenie firmy Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. W japońskim mieście Namie powstaje jedna z największych na świecie stacji produkcji wodoru. Stacja będzie zużywać do 10 MW energii pozyskiwanej z „zielonych” źródeł, wytwarzając w procesie elektrolizy do 900 ton wodoru rocznie.

Energia wodorowa jest naszą „rezerwą na przyszłość”, kiedy trzeba będzie całkowicie zrezygnować z paliw kopalnych, a odnawialne źródła energii nie będą w stanie zaspokoić potrzeb ludzkości. Według prognozy Markets&Markets wolumen światowej produkcji wodoru, który obecnie wynosi 115 miliardów dolarów, wzrośnie do 154 miliardów dolarów do 2022 roku. Jednak masowe wdrożenie tej technologii w najbliższej przyszłości jest mało prawdopodobne Nadal należy rozwiązać kwestię produkcji i eksploatacji elektrowni specjalnych oraz zmniejszyć ich koszty. Kiedy pokonane zostaną bariery technologiczne, energia wodorowa osiągnie nowy poziom i może być tak powszechna, jak dzisiejsza tradycyjna czy wodna energetyka.

Obsługują statek kosmiczny amerykańskiej Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). Zapewniają zasilanie komputerom Pierwszego Banku Narodowego w Omaha. Są one używane w niektórych publicznych autobusach miejskich w Chicago.

To wszystko są ogniwa paliwowe. Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne, które wytwarzają energię elektryczną bez spalania – chemicznie, w podobny sposób jak baterie. Jedyna różnica polega na tym, że używają różnych substancji chemicznych, wodoru i tlenu, a produktem reakcji chemicznej jest woda. Można również stosować gaz ziemny, ale przy stosowaniu paliw węglowodorowych oczywiście nieunikniony jest pewien poziom emisji dwutlenku węgla.

Ponieważ ogniwa paliwowe mogą działać z dużą wydajnością i bez szkodliwych emisji, są bardzo obiecujące jako zrównoważone źródło energii, które pomoże zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i innych substancji zanieczyszczających. Główną przeszkodą w powszechnym zastosowaniu ogniw paliwowych jest ich wysoki koszt w porównaniu do innych urządzeń wytwarzających energię elektryczną lub napędzających pojazdy.

Historia rozwoju

Pierwsze ogniwa paliwowe zostały zademonstrowane przez Sir Williama Grovesa w 1839 roku. Groves wykazał, że proces elektrolizy – rozkładu wody na wodór i tlen pod wpływem prądu elektrycznego – jest odwracalny. Oznacza to, że wodór i tlen można łączyć chemicznie, tworząc energię elektryczną.

Po tym, jak to wykazano, wielu naukowców z zapałem zajęło się badaniem ogniw paliwowych, jednak wynalezienie silnika spalinowego i rozwój infrastruktury rezerw ropy naftowej w drugiej połowie XIX wieku pozostawiły rozwój ogniw paliwowych daleko w tyle. Rozwój ogniw paliwowych był dodatkowo hamowany przez ich wysoki koszt.

Gwałtowny rozwój ogniw paliwowych nastąpił w latach 50., kiedy NASA zwróciła się do nich w związku z zapotrzebowaniem na kompaktowy generator elektryczny do lotów kosmicznych. Inwestycja została zrealizowana, a loty Apollo i Gemini zasilane były ogniwami paliwowymi. Statki kosmiczne również działają na ogniwach paliwowych.

Ogniwa paliwowe to wciąż w dużej mierze technologia eksperymentalna, ale kilka firm sprzedaje je już na rynku komercyjnym. Tylko w ciągu ostatnich prawie dziesięciu lat poczyniono znaczne postępy w komercyjnej technologii ogniw paliwowych.

Jak działa ogniwo paliwowe?

Ogniwa paliwowe działają podobnie do akumulatorów – wytwarzają energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej. Natomiast silniki spalinowe spalają paliwo i wytwarzają w ten sposób ciepło, które następnie zamieniane jest na energię mechaniczną. O ile ciepło ze spalin nie zostanie w jakiś sposób wykorzystane (na przykład do ogrzewania lub klimatyzacji), wówczas sprawność silnika spalinowego można uznać za dość niską. Na przykład oczekuje się, że wydajność ogniw paliwowych stosowanych w pojeździe – projekt będący obecnie w fazie opracowywania – będzie ponad dwukrotnie większa niż wydajność współczesnych typowych silników benzynowych stosowanych w samochodach.

Chociaż zarówno baterie, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną w sposób chemiczny, pełnią dwie bardzo różne funkcje. Baterie to urządzenia magazynujące energię: wytwarzana przez nie energia elektryczna jest wynikiem reakcji chemicznej substancji, która już się w nich znajduje. Ogniwa paliwowe nie magazynują energii, lecz raczej przekształcają część energii z paliwa dostarczonego z zewnątrz w energię elektryczną. Pod tym względem ogniwo paliwowe bardziej przypomina konwencjonalną elektrownię.

Istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych. Najprostsze ogniwo paliwowe składa się ze specjalnej membrany zwanej elektrolitem. Elektrody proszkowe nanoszone są po obu stronach membrany. Ta konstrukcja - elektrolit otoczony dwiema elektrodami - jest osobnym elementem. Wodór przepływa na jedną stronę (anoda), a tlen (powietrze) na drugą (katoda). Na każdej elektrodzie zachodzą różne reakcje chemiczne.

Na anodzie wodór rozpada się na mieszaninę protonów i elektronów. W niektórych ogniwach paliwowych elektrody są otoczone katalizatorem, zwykle wykonanym z platyny lub innych metali szlachetnych, który sprzyja reakcji dysocjacji:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = dwuatomowa cząsteczka wodoru, forma, w

w którym wodór występuje w postaci gazu;

H+ = wodór zjonizowany, tj. proton;

e- = elektron.

Działanie ogniwa paliwowego polega na tym, że elektrolit przepuszcza przez niego protony (w kierunku katody), ale elektrony nie. Elektrony przemieszczają się do katody wzdłuż zewnętrznego obwodu przewodzącego. Ten ruch elektronów to prąd elektryczny, który można wykorzystać do napędzania urządzenia zewnętrznego podłączonego do ogniwa paliwowego, takiego jak silnik elektryczny lub żarówka. Urządzenie to nazywane jest zwykle „obciążeniem”.

Po stronie katody ogniwa paliwowego protony (które przeszły przez elektrolit) i elektrony (które przeszły przez obciążenie zewnętrzne) są „rekombinowane” i reagują z tlenem dostarczanym do katody, tworząc wodę, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Całkowitą reakcję zachodzącą w ogniwie paliwowym można zapisać w następujący sposób:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Ogniwa paliwowe wykorzystują w swojej pracy paliwo wodorowe i tlen z powietrza. Wodór może być dostarczany bezpośrednio lub poprzez oddzielenie go od zewnętrznego źródła paliwa, takiego jak gaz ziemny, benzyna lub metanol. W przypadku źródła zewnętrznego należy je poddać chemicznej konwersji w celu ekstrakcji wodoru. Proces ten nazywany jest „reformowaniem”. Wodór można również wytwarzać z amoniaku, zasobów alternatywnych, takich jak gaz z miejskich wysypisk śmieci i oczyszczalni ścieków, a także w drodze elektrolizy wody, która wykorzystuje energię elektryczną do rozbicia wody na wodór i tlen. Obecnie większość technologii ogniw paliwowych stosowanych w transporcie wykorzystuje metanol.

Opracowano różne sposoby reformowania paliw w celu produkcji wodoru do ogniw paliwowych. Departament Energii Stanów Zjednoczonych opracował jednostkę paliwową umieszczoną w reformerze benzyny, która ma dostarczać wodór do niezależnego ogniwa paliwowego. Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory w USA zademonstrowali kompaktowy reformer paliwa o wielkości jednej dziesiątej zasilacza. Amerykańskie przedsiębiorstwo użyteczności publicznej Northwest Power Systems i Sandia National Laboratories zademonstrowały reformator paliwa, który przekształca olej napędowy w wodór do ogniw paliwowych.

Indywidualnie ogniwa paliwowe wytwarzają około 0,7-1,0 V każde. Aby zwiększyć napięcie, elementy są łączone w „kaskadę”, tj. połączenie szeregowe. Aby wytworzyć więcej prądu, zestawy elementów kaskadowych łączy się równolegle. Jeśli połączysz kaskady ogniw paliwowych z układem paliwowym, układem zasilania powietrzem i chłodzeniem oraz układem sterowania, otrzymasz silnik zasilany ogniwami paliwowymi. Silnik ten może zasilać pojazd, elektrownię stacjonarną lub przenośny generator elektryczny6. Silniki na ogniwa paliwowe są dostępne w różnych rozmiarach w zależności od zastosowania, rodzaju ogniwa paliwowego i użytego paliwa. Na przykład każda z czterech oddzielnych elektrowni stacjonarnych o mocy 200 kW zainstalowanych w banku w Omaha ma mniej więcej wielkość przyczepy ciężarówki.

Aplikacje

Ogniwa paliwowe można zastosować zarówno w urządzeniach stacjonarnych, jak i mobilnych. W odpowiedzi na zaostrzenie przepisów dotyczących emisji w Stanach Zjednoczonych producenci samochodów, w tym DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda i Nissan, rozpoczęli eksperymenty i demonstracje pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. Oczekuje się, że pierwsze komercyjne pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi wyjadą na drogi w 2004 lub 2005 roku.

Kamieniem milowym w rozwoju technologii ogniw paliwowych była demonstracja w czerwcu 1993 roku eksperymentalnego 32-metrowego autobusu miejskiego firmy Ballard Power System napędzanego 90-kilowatowym silnikiem wodorowych ogniw paliwowych. Od tego czasu opracowano i wprowadzono do użytku wiele różnych typów i różnych generacji pojazdów pasażerskich napędzanych ogniwami paliwowymi, zasilanych różnymi rodzajami paliwa. Od końca 1996 r. w Palm Desert w Kalifornii używane są trzy wózki golfowe z ogniwami wodorowymi. Na drogach Chicago, Illinois; Vancouver, Kolumbia Brytyjska; i Oslo w Norwegii testowane są autobusy miejskie zasilane ogniwami paliwowymi. Na ulicach Londynu testowane są taksówki napędzane alkalicznymi ogniwami paliwowymi.

Prezentowane są także instalacje stacjonarne wykorzystujące technologię ogniw paliwowych, lecz nie są one jeszcze powszechnie stosowane komercyjnie. First National Bank of Omaha w Nebrasce wykorzystuje system ogniw paliwowych do zasilania swoich komputerów, ponieważ jest on bardziej niezawodny niż stary system, który był zasilany z głównej sieci przy zasilaniu z akumulatora zapasowego. Największy na świecie komercyjny system ogniw paliwowych o mocy 1,2 MW zostanie wkrótce zainstalowany w centrum przetwarzania poczty na Alasce. Testowane i demonstrowane są także przenośne laptopy zasilane ogniwami paliwowymi, systemy sterowania stosowane w oczyszczalniach ścieków i automatach sprzedających.

"Plusy i minusy"

Ogniwa paliwowe mają wiele zalet. Podczas gdy nowoczesne silniki spalinowe mają sprawność zaledwie 12–15%, ogniwa paliwowe osiągają sprawność 50%. Sprawność ogniw paliwowych może pozostać dość wysoka nawet wtedy, gdy nie są one wykorzystywane przy pełnej mocy znamionowej, co stanowi poważną zaletę w porównaniu z silnikami benzynowymi.

Modułowa konstrukcja ogniw paliwowych oznacza, że ​​moc elektrowni zasilanej ogniwami paliwowymi można zwiększyć po prostu dodając więcej stopni. Zapewnia to minimalizację niepełnego wykorzystania mocy produkcyjnych, co pozwala na lepsze dopasowanie podaży i popytu. Ponieważ wydajność stosu ogniw paliwowych zależy od wydajności poszczególnych ogniw, małe elektrownie zasilane ogniwami paliwowymi działają równie efektywnie jak duże. Ponadto ciepło odpadowe ze stacjonarnych systemów ogniw paliwowych można wykorzystać do ogrzewania wody i pomieszczeń, co jeszcze bardziej zwiększa efektywność energetyczną.

Podczas korzystania z ogniw paliwowych praktycznie nie powstają żadne szkodliwe emisje. Gdy silnik zasilany czystym wodorem, jako produkty uboczne powstają jedynie ciepło i czysta para wodna. Zatem na statkach kosmicznych astronauci piją wodę, która powstaje w wyniku działania pokładowych ogniw paliwowych. Skład emisji zależy od charakteru źródła wodoru. Metanol nie powoduje emisji tlenków azotu i tlenku węgla, a jedynie niewielką emisję węglowodorów. Emisje rosną w miarę odchodzenia od wodoru na rzecz metanolu i benzyny, chociaż nawet w przypadku benzyny emisje pozostaną dość niskie. W każdym razie zastąpienie współczesnych tradycyjnych silników spalinowych ogniwami paliwowymi doprowadziłoby do ogólnej redukcji emisji CO2 i tlenków azotu.

Zastosowanie ogniw paliwowych zapewnia elastyczność infrastruktury energetycznej, tworząc dodatkowe możliwości zdecentralizowanej produkcji energii elektrycznej. Wielość zdecentralizowanych źródeł energii pozwala na ograniczenie strat w przesyle energii elektrycznej i rozwój rynków energii (co jest szczególnie ważne w przypadku obszarów oddalonych i wiejskich, pozbawionych dostępu do linii elektroenergetycznych). Za pomocą ogniw paliwowych poszczególni mieszkańcy lub dzielnice mogą zapewnić większość własnej energii elektrycznej, a tym samym znacznie zwiększyć efektywność energetyczną.

Ogniwa paliwowe oferują energię wysokiej jakości i zwiększoną niezawodność. Są trwałe, nie mają ruchomych części i wytwarzają stałą ilość energii.

Jednakże technologię ogniw paliwowych należy dalej udoskonalać, aby poprawić wydajność i obniżyć koszty, a tym samym zapewnić konkurencyjność ogniw paliwowych w stosunku do innych technologii energetycznych. Należy zauważyć, że rozważając charakterystykę kosztową technologii energetycznych, porównań należy dokonać w oparciu o charakterystykę wszystkich komponentów technologii, w tym kapitałowe koszty operacyjne, emisję zanieczyszczeń, jakość energii, trwałość, likwidację i elastyczność.

Chociaż najlepszym paliwem jest wodór, nie ma jeszcze infrastruktury ani bazy transportowej dla niego. W niedalekiej przyszłości istniejące systemy zasilania paliwami kopalnymi (stacje benzynowe itp.) mogłyby zostać wykorzystane do zaopatrywania elektrowni w wodór w postaci benzyny, metanolu lub gazu ziemnego. Wyeliminowałoby to potrzebę tworzenia dedykowanych stacji napełniania wodorem, ale wymagałoby zainstalowania w każdym pojeździe konwertera paliwa kopalnego na wodór („reformatora”). Wadą tego podejścia jest to, że wykorzystuje ono paliwa kopalne, co powoduje emisję dwutlenku węgla. Metanol, obecnie wiodący kandydat, powoduje mniej emisji niż benzyna, ale wymaga większego zbiornika w pojeździe, ponieważ przy tej samej zawartości energii zajmuje dwukrotnie więcej miejsca.

W przeciwieństwie do systemów zaopatrzenia w paliwa kopalne, systemy słoneczne i wiatrowe (wykorzystujące energię elektryczną do wytwarzania wodoru i tlenu z wody) oraz systemy bezpośredniej fotokonwersji (wykorzystujące materiały półprzewodnikowe lub enzymy do produkcji wodoru) mogą zapewnić dostawy wodoru bez etapu reformowania, a zatem emisje można uniknąć szkodliwych substancji, które występują podczas stosowania ogniw paliwowych metanolowych lub benzynowych. Wodór można magazynować i w razie potrzeby przekształcać w energię elektryczną w ogniwie paliwowym. Patrząc w przyszłość, łączenie ogniw paliwowych z tego rodzaju odnawialnymi źródłami energii prawdopodobnie będzie skuteczną strategią zapewniającą produktywne, przyjazne dla środowiska i wszechstronne źródło energii.

IEER zaleca, aby rządy lokalne, federalne i stanowe przeznaczyły część swoich budżetów na zamówienia transportowe na pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi, a także stacjonarne systemy ogniw paliwowych, aby zapewnić ciepło i energię dla niektórych znaczących lub nowych budynków. Będzie to sprzyjać rozwojowi kluczowych technologii i ograniczać emisję gazów cieplarnianych.