Ogniwo paliwowe

"Ka┐da wystarczaj▒co zaawansowana technologia jest magi▒"

1. WstΩp.

W roku 1839 fizyk brytyjski William R. Grove zademonstrowa│, ┐e podczas elektrochemicznej reakcji │▒czenia wodoru z tlenem powstaje pr▒d elektryczny. Ogniwo takie nie ma czΩ╢ci ruchomych, dzia│a bezszumowo, a jego jedyn▒ substancj▒ odpadow▒ jest woda. Jednak oparte na tym zjawisku ogniwa paliwowe przez ponad wiek by│y zaledwie ciekawostk▒ laboratoryjn▒. Dopiero w latach sze╢µdziesi▒tych obecnego wieku lekkie i zwarte (choµ drogie) ich odmiany NASA zaczΩ│a instalowaµ w statkach kosmicznych do zasilania ich w energiΩ elektryczn▒. Dzi╢ technologiΩ tΩ, obiecuj▒c▒ czyst▒ ekologicznie, efektywn▒ i cich▒ pracΩ, pr≤buje siΩ wykorzystaµ w wielu nowych ziemskich zastosowaniach, w tym do zasilania telefon≤w kom≤rkowych, komputer≤w przeno╢nych, dom≤w i mieszka± oraz elektrycznych silnik≤w samochodowych. Specjali╢ci oceniaj▒, ┐e zast▒pienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z wΩgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyµ emisjΩ dwutlenku wΩgla o 40% - 60%, za╢ emisjΩ tlenk≤w azotu o 50% -90%.

2. Czym jest ogniwo paliwowe?

Zasada dzia│ania ogniwa paliwowego jest prosta ju┐ z za│o┐enia. Zar≤wno zwyk│e baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzaj▒ pr▒d elektryczny dziΩki reakcjom elektrochemicznym.

Reakcja sumaryczna:

W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, ca│y proces zaczyna siΩ od wydzielania czystego wodoru w urz▒dzeniu zwanym reformerem.(1).

Reakcje reformowania:

Powstaj▒cy przy tym dwutlenek wΩgla (2) jest usuwany na zewn▒trz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu. NastΩpnie wod≤r trafia do w│a╢ciwego ogniwa (3), wywo│uj▒c kolejne reakcje chemiczne: platynowy katalizator na anodzie "wyrywa" z gazu elektrony (4), a dodatnio na│adowane jony (protony) "rozpuszczaj▒ siΩ" w elektrolicie (5).

Reakcja anodowa:

ObojΩtny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechwytuje swobodne elektrony powoduj▒c powstanie pr▒du sta│ego (8). Ujemnie na│adowane jony tlenu reaguj▒ w elektrolicie z protonami r≤wnie┐ znajduj▒cymi siΩ w elektrolicie, wytwarzaj▒c wodΩ (7).

Reakcja katodowa:

Powstaj▒cy sta│y pr▒d elektryczny zostaje w przetwornicy przekszta│cony na pr▒d zmienny (9), z kt≤rego │atwiej mo┐na korzystaµ. Jak d│ugo do w│a╢ciwego ogniwa paliwowego dop│ywa wod≤r i tlen, tak d│ugo wytwarza ono pr▒d elektryczny, ciep│o i wodΩ.

Rys.1 Schemat dzia│ania ogniwa paliwowego

Si│a elektromotoryczna pojedynczego ogniwa wynosi oko│o 1 wolta, lub mniej, a natΩ┐enie pr▒du elektrycznego w obwodzie zale┐y od powierzchni elektrod. NapiΩcie mo┐na zwiΩkszaµ │▒cz▒c ze sob▒ szeregowo wiele takich ogniw - jak plastry wafli przek│adanych nieprzepuszczalnymi dla elektrolitu, lecz przewodz▒cymi pr▒d elektryczny, membranami -zwiΩkszaj▒c w ten spos≤b ich wydajno╢µ.

3. Rodzaje ogniw paliwowych.

Istnieje wiele typ≤w ogniw paliwowych, r≤┐ni▒cych siΩ miΩdzy sob▒ konstrukcj▒, materia│em elektrod, rodzajem elektrolitu i katalizator≤w. W ogniwach wytwarzaj▒cych energiΩ elektryczn▒ i wodΩ, przeznaczonych dla prom≤w kosmicznych, NASA stosuje np. wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi i niezawodnymi urz▒dzeniami, maj▒cymi za sob▒ dorobek d│ugotrwa│ych prac badawczo-rozwojowych, s▒ ogniwa wykorzystuj▒ce kwas fosforowy (PAFC - phosphoric acid fuel cell) oraz ogniwa z membranami polimerowymi.

Tabela 1. Por≤wnanie ogniw paliwowych

Zasadniczo rozr≤┐nia siΩ dwa typy ogniw:

- ogniwa o alkaicznym elektrolicie,
Elektrolitem w takim ogniwie przewa┐nie jest roztw≤r KOH.
Reakcje:

- ogniwa o kwa╢nym elektrolicie (r≤wnie┐ ogniwo z membran▒ polimerow▒),>br> Ogniwo takie posiada w elektrolicie ruchome kationy wodoru, kt≤re graj▒ tu kluczow▒ rolΩ.
Reakcje:

4. Zastosowanie ogniw paliwowych.

Na praktyczne zastosowanie ogniw paliwowych musimy jeszcze poczekaµ. Wa┐nym czynnikiem ograniczaj▒cym rozw≤j tej nowoczesnej technologii jest nieub│agana ekonomia. Budowa konwencjonalnej elektrowni jest znacznie ta±sza od obiektu z ogniwami paliwowymi. A bez zam≤wie± na ogniwa paliwowe producenci nie mog▒ uruchomiµ ich masowej, a wiΩc ta±szej i zautomatyzowanej produkcji. Zainteresowane firmy szacuj▒, ┐e uruchomienie produkcji ogniw o │▒cznej mocy 200 MW rocznie pozwoli│oby obni┐yµ ich cenΩ detaliczn▒ o po│owΩ.

Kwesti▒ o najwiΩkszym znaczeniu jest rozwi▒zanie magazynowania paliwa. Bogaty energetycznie ciek│y wod≤r musi byµ przechowywany w temperaturach bliskich zeru bezwzglΩdnemu - nie do zaakceptowania w masowych zastosowaniach. Z kolei uwolnienie wodoru z obfituj▒cego we± metanolu, bΩd▒cego ciecz▒ w temperaturze pokojowej, zwykle wymaga reformingu - z│o┐onej i k│opotliwej przemiany chemicznej. A ponadto czΩsto potrzebny jest cenny katalizator platynowy. Te i podobne czynniki komplikuj▒ konstrukcjΩ ogniw paliwowych, niejednokrotnie wymagaj▒cych uzupe│nienia skomplikowanymi podsystemami. R≤┐ne grupy badawcze na ca│ym ╢wiecie intensywnie doskonal▒ technologiΩ i prowadz▒ prace zmierzaj▒ce do opracowania urz▒dze± o znaczeniu praktycznym. Na przyk│ad uda│o siΩ ju┐ ponad 30 - krotnie obni┐yµ konieczn▒ ilo╢µ platyny w jednym z typ≤w ogniw paliwowych. NastΩpuje obecnie komercjalizacja ogniw paliwowych w trzech dziedzinach: napΩdu samochod≤w, gdzie trudno zdystansowaµ silniki spalania wewnΩtrznego, energetyki, w kt≤rej nastΩpuje odej╢cie od scentralizowanych system≤w megawatowych elektrowni do ma│ych elektrociep│owni na u┐ytek domowy, i zasilania elektronicznych urz▒dze± przeno╢nych, w kt≤rych ogniwa paliwowe mog▒ z powodzeniem zast▒piµ stosowane obecnie akumulatory.

5. Ogniwa paliwowe a ekologia.

Jak wspomnia│em wy┐ej ogniwa paliwowe s▒ czystym ekologicznie ╝r≤d│em energii elektrycznej. W standardowym ogniwie paliwowym atomy wodoru (paliwo) oddaj▒ elektrony jednej elektrodzie (anodzie), a nastΩpnie │▒cz▒ siΩ z elektronami i tlenem (utleniaczem) na drugiej elektrodzie (katodzie). Jedynym produktem chemicznym zachodz▒cych reakcji jest woda, a elektrody nie ulegaj▒ przemianom. W bateriach elektrody bior▒ udzia│ w reakcjach elektrochemicznych (np. w akumulatorach niklowo-kadmowych elektrodami s▒ tlenowodorotlenek niklu i kadm). W przypadku ma│ych akumulator≤w litowych, zaprojektowanych z my╢l▒ o przeno╢nych urz▒dzeniach elektronicznych, napiΩcia nie przekraczaj▒ obecnie 3 - 4 V. Paliwa wodorowe nie pozwalaj▒ uzyskaµ napiΩµ powy┐ej 1 V, ale mniejsza masa i objΩto╢µ ogniw umo┐liwiaj▒ wiΩksze upakowanie i wiΩcej energii elektrycznej, podczas gdy rozmiary pozostaj▒ zbli┐one.

Tabela 2. Potencja│ energetyczny ogniw paliwowych.

W 1996 roku je╝dzi│o po drogach ╢wiata oko│o 634 mln pojazd≤w (przyrost o niemal 30% w ci▒gu dziesiΩciolecia). Pojazdy te wyemitowa│y │▒cznie oko│o 3,7 mld ton dwutlenku wΩgla, gazu potΩguj▒cego efekt cieplarniany. Opr≤cz tego znane s▒ dobrze wszystkim zagro┐enia zdrowia zwi▒zane z emisj▒ innych gaz≤w spalinowych np. tlenku azotu. A na domiar z│ego wiΩkszo╢µ ropy naftowej znajduje siΩ na niestabilnym Bliskim Wschodzie. Z wy┐ej wymienionych powod≤w producenci samochod≤w poszukuj▒ r≤┐nych alternatywnych ╝r≤de│ energii. Wiele nadziei wi▒┐e siΩ w│a╢nie z ogniwami paliwowymi. Bezpo╢rednia przemiana energii chemicznej w elektryczn▒ w ogniwie paliwowym wynosi od 45% do 60%. Wynik ten jest lepszy od wsp≤│czesnych silnik≤w spalania wewnΩtrznego - 15% sprawno╢µ. Daniel Sperling, dyrektor Instytutu Studi≤w nad Transportem na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, szacuje, ┐e do roku 2010 liczba samochod≤w elektrycznych (w tym z ogniwami paliwowymi) siΩgnie milion≤w.

Warto sobie u╢wiadomiµ, jak ogromnych ╢rodk≤w wymaga usuwanie tlenk≤w siarki i azotu ze spalin w elektrowniach konwencjonalnych. Ogniwa paliwowe takich zanieczyszcze± nie wytwarzaj▒ w og≤le, a emisja tlenku wΩgla jest ni┐sza od jego zawarto╢ci w powietrzu atmosferycznym. Mo┐e wiΩc inwestorom bardziej op│aca│oby siΩ inwestowaµ w dopracowanie technologii i uruchomienie masowej produkcji ogniw paliwowych, ani┐eli przeznaczaµ ogromne ╢rodki na dopracowywanie starych i opracowywanie wci▒┐ nowych metod oczyszczania spalin w elektrowniach konwencjonalnych.

Pozostaj▒ jednak problemy zwi▒zane ze starzeniem siΩ ogniw paliwowych. Zanieczyszczenia zawarte w paliwie powoduj▒ stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieuchronnie ogranicza przep│yw jon≤w wodoru i tlenu, zmniejszaj▒c wydajno╢µ pr▒dow▒. Konstruktorzy staraj▒ siΩ stworzyµ zestawy o ┐ywotno╢ci nie mniejszej ni┐ 40.000 godzin (co bΩdzie oznacza│o konieczno╢µ wymiany ca│ego bloku co 5 - 7 lat).

6. Inne alternatywne ╝r≤d│a energii ( w stosunku do spalania kopalin).

Ogniwa paliwowe nale┐▒ do grupy ╝r≤de│ energii, z kt≤rymi wi▒┐e siΩ nasza przysz│o╢µ ta bli┐sza jak i ta dalsza. Spalanie kopalin takich jak ropa naftowa, gaz ziemny (najbardziej ekologiczne tera╝niejsze paliwo kopalne), wΩgiel (Polska ma tu du┐y problem, wiΩkszo╢µ naszej energetyki opiera siΩ na wΩglu - paliwie trucicielu) przyczynia siΩ do wzrostu globalnego ocieplenia. Tanie, niewyczerpalne i nieograniczone - takie kryteria przyjΩto w poszukiwaniach nowych ╝r≤de│ energii na potrzeby XXI wieku. O ogniwach paliwowych ju┐ wspomnia│em bo taki by│ tytu│ mojego referatu ale chcia│bym nadmieniµ tu te┐ o innych ╝r≤d│ach energii dla uzupe│nienia ca│o╢ci, jak i o potencjalnym zainteresowaniu potencjalnego czytelnika. Naukowcy dostrzegaj▒ trzy niewyczerpalne ╝r≤d│a energii:
- fuzja termoj▒drowa (kawa│ek S│o±ca w zaprzΩgu),
- reaktory powielaj▒ce,
- energia s│oneczna.

¼r≤d│a te jeszcze nie istniej▒, s▒ w sferze bada±, lub istniej▒ ale nie znalaz│y na razie wiΩkszego zastosowania. Na uwagΩ zas│uguje fakt, ┐e do tej pory mimo silnego sprzeciwu lobby naftowego jak i opinii publicznej (opory natury psychicznej przeciwko u┐ytkowaniu energii j▒drowej) fundusze a co za tym idzie badania nie wygas│y. Jest to optymistyczny akcent w naszej b│yskawicznie zmieniaj▒cej siΩ rzeczywisto╢ci.

7. Podsumowanie.

Twierdzenie, ┐e co╢ nie mo┐e powstaµ, jest zawsze ryzykowne. Zbyt wiele razy ci, kt≤rzy m≤wili, ┐e pewne rzeczy s▒ niemo┐liwe, do┐ywali czas≤w ich istnienia. Setki tych, kt≤rzy nie wierzyli w dokonania braci Wright, Jamesa Watta i Thomas Edisona, niedowiark≤w, kt≤rzy udowadniali, ┐e latanie aeroplanem , dzia│anie maszyny parowej i ╢wiecenie ┐ar≤wki jest, niemo┐liwe, nie tylko ujrza│y te wynalazki, lecz przekona│y siΩ tak┐e, w jaki spos≤b wp│ynΩ│y one na bieg historii. Poniewa┐ dosyµ dobrze poznali╢my prawa natury, mo┐emy stwierdziµ, ┐e pewne rozwi▒zania techniczne s▒ niezgodne ze znanymi prawami elektrodynamiki, mechaniki kwantowej, teorii wzglΩdno╢ci itd. Stwierdzenie to nie wyklucza jednak przysz│ych odkryµ.

Bouli