Od lat sześćdziesiątych XX wieku ogniwa paliwowe są uznawane za niezawodne źródło zasilania dla krytycznych zastosowań energetycznych. Ogniwo paliwowe stało się powszechnie znane przede wszystkim dzięki misjom NASA Apollo, a w ostatnich latach także w dziedzinie energii odnawialnej. Obecnie istnieje wiele różnych typów tego konwertera energii, którego moc elektryczna jest dostosowana do szerokiego zakresu wymagań.
W naszym poradniku przedstawiamy najważniejsze konstrukcje i ich technologiczne modyfikacje.
Ogniwa paliwowe generują energię elektryczną poprzez reakcję elektrochemiczną. Różnią się one zatem zasadniczo od innych form konwersji energii, w których ciepło musi być najpierw wygenerowane, na przykład poprzez spalanie.
Ogniwo paliwowe bezpośrednio łączy wodór z tlenem, wytwarzając energię elektryczną, ciepło i wodę. Konwertery energii są obecnie wykorzystywane w szeregu zastosowań obejmujących zasilanie domów i firm, utrzymywanie działania krytycznych obiektów, takich jak szpitale, sklepy spożywcze i centra danych, a także zasilanie różnych pojazdów, takich jak samochody osobowe, ciężarówki, wózki widłowe, pociągi i transport publiczny.
Systemy ogniw paliwowych są obecnie uznawane za czyste, wydajne, niezawodne i ciche źródło energii o wysokim poziomie sprawności. Ich największą zaletą jest to, że w przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe nie muszą być ładowane w regularnych odstępach czasu; zamiast tego wytwarzają energię elektryczną tak długo, jak długo dostępne są wodór i tlen. Charakteryzują się one również wyjątkowo niską emisją CO2, a wiele konstrukcji jest nawet neutralnych pod względem emisji CO2. W niektórych obszarach zastąpiły one nawet baterie litowo-jonowe i gazowe kotły kondensacyjne.
Pod względem budowy ogniwo paliwowe składa się z anody, katody i membrany elektrolitowej.
Klasyczne ogniwo paliwowe działa poprzez przepuszczanie wodoru przez anodę i tlenu przez katodę. Na anodzie katalizator rozszczepia cząsteczki wodoru na elektrony i protony. Protony przepływają przez porowatą membranę elektrolitu, podczas gdy elektrony wykonują cykl, który generuje energię elektryczną i ciepło. Jest to również określane jako zimne spalanie. Na katodzie protony, elektrony i tlen łączą się i tworzą cząsteczki wody.
Brak ruchomych części sprawia, że ogniwa paliwowe działają bezgłośnie i z bardzo wysoką niezawodnością.
W ciągu ostatnich kilku dekad powstały różne technologie ogniw paliwowych. Oto najważniejsze z nich:
Alkaliczne ogniwo paliwowe - AFC
AFC są najbardziej znane ze swojej roli w misjach NASA Apollo. Były one wykorzystywane do dostarczania astronautom wody i energii elektrycznej. Te konwertery energii wykorzystują porowate elektrolity, które są nasycone roztworem alkalicznym. AFC jest jednym z najbardziej wydajnych typów ogniw paliwowych o potencjalnej sprawności elektrycznej od 60 do 90 procent. Ogniwa AFC są jednak bardzo wrażliwe i mogą ulec awarii pod wpływem dwutlenku węgla, dlatego też znajdują zastosowanie głównie w kontrolowanych aplikacjach lotniczych i podwodnych.
Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu - MCFC
MCFC działają w wysokich temperaturach przekraczających 1200 stopni Celsjusza i wykorzystują stopioną mieszaninę węglanu i soli zawieszoną w ceramicznej matrycy jako elektrolit. Tak wysoka temperatura umożliwia stosowanie katalizatorów niezawierających platyny, a tym samym obniża ogólne koszty systemu. MCFC mogą również wykorzystywać gaz ziemny bezpośrednio jako źródło paliwa, ponieważ wysokie temperatury umożliwiają wewnętrzny proces przekształcania gazu ziemnego w wodór w systemie. MCFC osiągają sprawność od 50 do 80 procent.
Głównymi obszarami zastosowań są aplikacje stacjonarne, zapewniające zasilanie podstawowe i rezerwowe dla przedsiębiorstw i firm użyteczności publicznej.
Ogniwo paliwowe na tlenek stały - SOFC
Ogniwa SOFC wykorzystują również zalety temperatur roboczych wynoszących około 1800 stopni Celsjusza. Jako elektrolit stosowana jest w nich zwarta warstwa ceramiki, która umożliwia przewodzenie jonów tlenu w wysokich temperaturach. Podobnie jak MCFC, SOFC również wykorzystują katalizator bez platyny, który działa na zasadzie wewnętrznego procesu regeneracji. Źródłem energii jest zazwyczaj gaz ziemny, a sprawność elektryczna waha się od 50 do 80 procent.
SOFC są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, od małych pomocniczych generatorów prądu dla prywatnych gospodarstw domowych po duże stacjonarne generatory prądu dla większych budynków i firm.
Membranowe ogniwo paliwowe z wymianą protonów - PEMFC
Z kolei ogniwa PEMFC wykorzystują katalizator platynowy i membranę polimerową. Tym, co odróżnia te ogniwa paliwowe od innych, jest ich zdolność do pracy w niższych temperaturach, tj. w zakresie od 27 do 94 stopni Celsjusza. Ze względu na wykorzystanie metali szlachetnych i niższe temperatury pracy, typowym paliwem jest gazowy wodór.
Akumulatory PEMFC działają z wydajnością od 40 do 60 procent i są w stanie kompensować duże i nagłe wahania mocy.
Akumulatory PEMFC dobrze sprawdzają się w samochodach i pojazdach specjalnych, takich jak wózki widłowe, które wymagają szybkiego rozruchu lub przyspieszenia. Dodatkowo ogniwa PEMFC mogą być wykorzystywane w zastosowaniach stacjonarnych w telekomunikacji, centrach danych i prywatnych gospodarstwach domowych.
Schemat funkcjonalny membranowego ogniwa paliwowego (PEMFC)
Bezpośrednie metanolowe ogniwo paliwowe - DMFC
Podobnie jak PEMFC, DMFC wykorzystują membranę polimerową jako elektrolit i zwykle także katalizator platynowy. Jednak w przeciwieństwie do PEMFC, DMFC pobierają wodór z ciekłego metanolu zmieszanego z wodą, zamiast wykorzystywać wodór bezpośrednio jako paliwo. DMFC działają również w stosunkowo niskich temperaturach, od 125 do 250 stopni Celsjusza.
Zastosowania DMFC obejmują zarówno małe urządzenia elektroniczne, takie jak ładowarki baterii i laptopy, jak i większe aplikacje, takie jak stacjonarne zasilacze sprzętu telekomunikacyjnego.
DMFC jest zalecane z kilku powodów: po pierwsze, objętościowa gęstość energii metanolu jest około dwukrotnie wyższa niż gęstość energii ciekłego wodoru i prawie trzykrotnie wyższa niż gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych. Ponadto metanol można łatwo kupić u wyspecjalizowanych sprzedawców detalicznych jako przenośny wkład paliwowy.
Do użytku jako ładowarka dostępne są urządzenia DMFC o mocy wyjściowej od 25 W do 5 kW i czasie pracy do 100 godzin między tankowaniami. DFMC jest idealne dla mocy wyjściowej do 0,3 kW. Przy wyższej mocy, pośrednie metanolowe ogniwo paliwowe jest bardziej wydajne, a także bardziej opłacalne; jednak zamarzanie ciekłej mieszaniny metanolu i wody w niskich temperaturach otoczenia może być problematyczne dla membrany DMFC.