2023-10-25 / Autor: Karolina Majewska
Gwałtowny wzrost cen na rynku paliw, zmiany klimatyczne oraz uwarunkowania ekonomiczne powodują rosnące zainteresowanie ogniwami paliwowymi. Ze względu na Politykę Energetyczną Polski, której przepisy mają wejść w życie ostatecznie do 2040 roku, wiele rozwiązań technologicznych w sektorze paliwowo-energetycznym ulegnie przekształceniu. Najważniejszą kwestią są oczywiście zmiany klimatyczne, do których przyczynia się zbyt wysoka ilość emitowanego CO2 pochodzącego m.in. z samochodów spalinowych. W związku z tym, coraz większy nacisk kładzie się na znalezienie nowych, bardziej dostosowanych do potrzeb rozwiązań. I tu właśnie z pomocą mogą przyjść wspomniane ogniwa paliwowe.
Ogniwa paliwowe posiadają zdolność przekształcania energii chemicznej pochodzącej z paliwa na energię elektryczną. Dzieje się tak dzięki reakcjom elektrochemicznym, w których jeden związek ulega oksydacji, a drugi redukcji. Wiąże się to bezpośrednio ze zmianą stopnia utlenienia biorących udział w reakcji związków, a tym samym ich właściwości. Wszystkie te procesy mają miejsce w ogniwie posiadającym elektrody, na których dane reakcje mogą zajść w wyniku dostarczanego paliwa.
Ważnym elementem jest także elektrolit, czyli substancja zawierająca jony, zdolna do przewodzenia prądu elektrycznego. Dzięki jego obecności, jony mogą przemieszczać się do danej elektrody w wyniku przyłożonego z zewnątrz napięcia. Warto także wspomnieć o różnych postaciach elektrolitu, który może być zarówno cieczą, jak i ciałem stałym, np. porowatą membraną.
Rodzaje ogniw paliwowych
Wyróżniamy wiele rodzajów ogniw paliwowych, które jednak ze względu na małą funkcjonalność, czy też inne, nie spełniające wymogów parametry, nie doczekały się praktycznego zastosowania. Na początku warto wspomnieć o alkalicznych ogniwach paliwowych (AFC), w których elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu, bądź sodu. Paliwem natomiast jest gazowy wodór z tlenem, jako utleniaczem. Oznacza to, że ogniwa wytwarzają energię elektryczną z reakcji redoks zachodzącej pomiędzy wodorem i tlenem. Produktem końcowym jest zatem woda, która zostaje odparowana z elektrolitu. Ponadto, ogniwa te są łatwe w obsłudze, tanie w produkcji, a także mają wysoką sprawność w porównaniu do np. ogniw PEMFC. Ich temperatura pracy wynosi do 90°C, co oznacza, że należą one do grupy tzw. niskotemperaturowych ogniw paliwowych stanowiących ważny element w bezemisyjnej konwersji energii.
Można także znaleźć informacje o zastosowaniu tych ogniw przez NASA w misjach z serii Apollo. Istnieją jednak pewne problemy, które są rozwiązywane w toku prac laboratoryjnych, jak np. sposób produkcji elektrod. Ze względu na to, że elektrody składają się z porowatego materiału, ciężko jest wytworzyć określony system porów. Innym problemem są także koszty, czas życia, wrażliwość na zanieczyszczenia, czy też silnie alkaliczny elektrolit. Jak się jednak okazuje, trwające badania nad tymi ogniwami dostarczają coraz to nowszych rozwiązań, jak np. zastąpienie alkalicznego elektrolitu stałym, w postaci membrany, co rozwiązywałoby problemy zatruć.
Kolejnym rodzajem są ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) lub też ogniwa paliwowe z polimerowym elektrolitem (PEFC). Są one opracowywane głównie do zastosowań transportowych i pod tym kątem są obecnie badane. Elektrolitem w tym przypadku jest materiał o nazwie handlowej Nafion®, czyli kopolimer zakończony grupą sulfonową.
Występuje on w formie membrany pokrytej platyną, działając tym samym jako katalizator. Temperatura pracy tych ogniw również wynosi poniżej 100°C, jednak powyżej 70°C zachodzi dehydratacja nafionu, a więc zniszczenie materiału. Ponadto, tak jak w przypadku AFC, ogniwa te także są wrażliwe na zanieczyszczenia tlenkiem węgla z powietrza, co powoduje zatrucie katalizatora, a w rezultacie ogranicza ich zastosowanie. Jak już wspomniano, ogniwa te są powszechnie uznawane za standard przemysłowy do zastosowań transportowych. Jednakże, wymagania dotyczące czystości wodoru sprawiają, że ich zastosowanie staje się trudne. Innym rodzajem są ogniwa paliwowe bezpośrednio zasilane metanolem (DMFC), w których paliwem jest właśnie metanol dostarczany bezpośrednio do ogniwa. Ogniwa te są modyfikacją wspomnianych PEMFC, a temperatura ich pracy waha się w granicach 50-120°C. Jako energię wykorzystują one metanol zamiast tradycyjnego paliwa, a na anodzie zachodzi jego utlenianie do CO2 . Na katodzie natomiast zachodzi redukcja tlenu do wody lub pary wodnej. Ogniwa te mają zdolność do akumulacji dużej ilości energii w niewielkiej przestrzeni, jednak mają ograniczoną moc. Oznacza to, że mogą wytwarzać niedużą ilość energii podczas długiego użytkowania, co z kolei ogranicza ich wykorzystanie w środkach transportu.
Kolejnymi, ciekawymi przykładami ogniw paliwowych są: ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC), ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC), a także ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC).
Pierwsze z nich, czyli ogniwa ze stopionym węglanem, zostały opracowane dla gazu ziemnego, czy też biogazu oraz elektrowni węglowych. Są to wysokotemperaturowe ogniwa pracujące powyżej 600°C, a jako elektrolit wykorzystywana jest mieszanina stopionych soli węglanowych zawieszonych w porowatej matrycy ceramicznej na bazie tlenku glinu. Ze względu na wysoką temperaturę pracy, jako katalizatory mogą być wykorzystywane różne związki, co zmniejsza koszty. Ponadto, cechują się one wysoką wydajnością oraz wysoką sprawnością. Co istotne, ogniwa te nie są podatne na zatrucia CO lub CO2 , a także odporne na zanieczyszczenia, co stanowi bardzo istotną kwestię w przypadku zastosowań transportowych. Pomimo wymienionych zalet, posiadają one także wady, które należy eliminować. Przede wszystkim problem stanowi wysoka temperatura oraz właściwości korozyjne elektrolitu, które skracają żywotność tych ogniw.
Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC), zgodnie z nazewnictwem, wykorzystują kwas ortofosforowy. Były to pierwsze ogniwa wprowadzone na rynek, jeszcze w latach 60. XX wieku. Charakteryzują się wysoką stabilnością, odpornością na zatrucie CO2 , a także temperaturą pracy w zakresie 150-200°C. Wadą jest jednak niska sprawność, zwłaszcza w przypadku zastosowania gazu ziemnego oraz konieczność reformowania paliwa.
Ostatnimi z tej grupy są ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC), w których elektrolitem jest stały materiał tlenkowy. Podobnie jak poprzednie, pracują w wysokich temperaturach, bo aż do 1000°C, jednak w związku z tym mają duży czas rozruchu, a także mogą być nieszczelne. Zaletą jest natomiast stały elektrolit zamiast ciekłego, co zwiększa trwałość oraz możliwość przeprowadzenia reformingu paliwa wewnątrz ogniwa. Poza wymienionymi podstawowymi rodzajami, wyróżniamy także ogniwa paliwowe metalowo-wodorkowe, zasilane kwasem mrówkowym, cynkowo-powietrzne, mikrobiologiczne, zasilane borowodorkami, zasilane etanolem, biologiczne ogniwa z enzymami, a także magnezowo-powietrzne. Rodzajów ogniw jest naprawdę sporo, jednak nie wszystkie mają przełożenie na codzienne zastosowanie. Dla przykładu można tutaj wskazać ogniwa cynk-powietrze, które swego czasu były testowane pod kątem potencjalnego wykorzystania w transporcie miejskim. Jednak ze względu na to, że były stosunkowo ciężkie, a przez to poruszały się w ograniczonym tempie oraz mało wydajnie, nie znalazły zastosowania praktycznego.
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe to natomiast nowa technologia wytwarzania energii elektrycznej z biomasy. Cieszą się one popularnością w małych urządzeniach, jednak nie wiadomo, czy sprawdziłyby się w samochodach. Być może nadawałyby się do zastosowań w sensorach.
"Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.
WięcejSklep
Książka: Surfaktanty i ich zastosowanie w produktach kosmetycznych
95.00 zł
Książka: Atlas Mikrobiologii Kosmetyków
94.00 zł
Książka: Zagęstniki (modyfikatory reologii) w produktach kosmetycznych
78.00 zł
“Chemia i Biznes” nr 1/2025
20.00 zł
“Chemia i Biznes” nr 6/2024
30.00 zł
"Kosmetyki i Detergenty" nr 4/2024
30.00 zł
Emulsje i inne formy fizykochemiczne produktów kosmetycznych. Wprowadzenie do recepturowania
108.00 zł
Bilety - XIV Międzynarodowa Konferencja Przemysłu Detergentowego
639.60 zł
WięcejNajnowsze
WięcejNajpopularniejsze
WięcejPolecane
WięcejW obiektywie
Legislacja, trendy i surowce: X edycja Konferencji Przemysłu Chemii Budowlanej
3 grudnia 2024 r. odbyła się w Warszawie 10. edycja Konferencji Przemysłu Chemii Budowlanej. W...
Marki własne w Kielcach
6 i 7 listopada br. do Targów Kielce na Targi Marek Własnych przyjechali przedstawiciele sektora marek...
Targi Packaging Innovations stałym punktem w branży opakowaniowej
W dniach 9-10 października br. w EXPO Kraków, odbyła się 16. edycja Międzynarodowych Targów...
Targi Warsaw Pack ważne dla sektora opakowań
Warsaw Pack to wydarzenie, gdzie liderzy branży prezentują najnowsze technologie pakowania i...