REFERAT Z NIEKONWENCJONALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII.doc

Wydział Inżynierii Procesowej I Ochrony Środowiska

Kierunek: Inżynieria Środowiska

Niekonwencjonalne źródła energii

Ogniwa paliwowe

Łódź 2005

1. WSTĘP

O ogniwach paliwowych mówi się coraz częściej z racji ich nieocenionych zalet, do których należą głównie wysoka sprawność i nieszkodliwość dla środowiska. Obszar zastosowań ogniw jest bardzo szeroki ze względu na możliwość ich wykorzystania wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba generacji energii elektrycznej oraz cieplnej. Istnieje już ponad 200 firm zajmujących się wytwarzaniem ogniw bądź komponentów niezbędnych do ich budowy.

Jesteśmy świadkami dynamicznego rozwoju energetyki niekonwencjonalnej, w której znaczące miejsce zajmować będą technologie oparte na wodorze, jako paliwie. Rywalizacja pomiędzy gigantami finansowymi, których głównym zainteresowaniem są nowe technologie energetyki przyszłości, stanowi siłę napędową prac badawczych. Jest oczywiste, iż rozwój i postęp są uzależnione od dostatku energii elektrycznej, produkowanej m. in. w oparciu o źródła odnawialne z maksymalną ochroną środowiska.

Z całego spektrum nowoczesnych technologii pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych na czoło wysuwa się ogniwo paliwowe. Urządzenie, o którym pierwszy raz usłyszano ponad 170 lat temu! Mianem „ojca” ogniwa paliwowego określa się sir Williama Grove’a, który w 1839 r. zbudował wodorowo-tlenowe ogniwo. Jest to elektrochemiczne urządzenie umożliwiające bezpośrednie wykorzystanie nierównowagi chemicznej tlenu i wodoru do generacji energii elektrycznej. Jedynymi produktami ubocznymi podczas pracy ogniwa są woda i pewna ilość ciepła. Jest to więc urządzenie przyjazne dla człowieka i środowiska.

Głównymi elementami ogniwa są dwie elektrody – anoda i katoda oraz elektrolit. Substratami doprowadzonymi do ogniwa są przeważnie wodór i tlen, natomiast jedynym produktem - czysta woda. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronów przez obwód zewnętrzny, od anody do katody, zasilając w ten sposób zewnętrzne urządzenie elektryczne. Przenoszenie jonów w obwodzie wewnętrznym (elektrolicie) umożliwia zrównoważenie przepływu ładunków ujemnych między elektrodami. Podczas pracy ogniwa jest generowana energia elektryczna, pewna ilość ciepła oraz czysta woda.

2. HISTORIA ROZWOJU OGNIWA PALIWOWEGO

Pierwsza wzmianka o ogniwie paliwowym ukazała się w początkach XIX w., tj. w końcowym okresie tworzenia podstaw teorii ogniwa galwanicznego. W 1801 r. Davis przedstawił ogniwo węglowo-tlenowe, w którym elektrody wykonane były z węgla, natomiast elektrolit stanowiła woda i kwas azotowy, oddzielone od siebie półprzepuszczalną przegrodą. W istocie było to stężeniowe ogniwo tlenowe bez wykorzystania węgla. Po raz pierwszy węglowo-powietrzne ogniwo paliwowe z roztopionym elektrolitem (azotanem) i platynową katodą zademonstrował w 1833 r. Becquerel. Prąd wyjściowy był jednak znikomy, gdyż zamiast łańcucha prostego pojawił się azotano-azotynowy łańcuch stężeniowy.
              Pierwsze ogniwo wodorowo-tlenowe wykonał w 1839 r. Grove, a w 1894 r. Borhers podjął się próby połączenia elektrochemicznego CO i O2, stosując jako elektrolit kwas solny, a jako elektrodę ujemną – płytkę miedzianą. Jednak siła elektromotoryczna ogniwa wykonanego przez Brohersa była niewystarczająca, aby urządzenie to nadawało się do praktycznego zastosowania. Bardziej szczegółowe badania wykazały, że reakcją prądotwórczą był proces rozpuszczania miedzi, a nie utlenianie CO na CO2. Jednakże trzeba zaznaczyć, że było to pierwsze, wprawdzie o bardzo nieznacznej jeszcze sile elektromotorycznej, ogniwo – redoks bez odtwarzania substancji pośrednich.
              W trakcie prac nad ogniwami paliwowymi poszukiwano materiału paliwowego, który charakteryzowałby się wystarczająco wysokim stopniem aktywności elektrochemicznej. Jedynym materiałem spełniającym to kryterium w temperaturze otoczenia jest wodór. Jednakże wodorowe ogniwo paliwowe1, pracujące w tej temperaturze, wymaga zastosowania elektrod zawierających pewną ilość drogich metali szlachetnych (Pt/Ru).

3. ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO

W ogniwie paliwowym następuje bezpośrednia przemiana energii chemicznej w energię elektryczną. Jest to ogniwo galwaniczne, w którym paliwo – wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami – jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz – tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) – podawany jest w sposób ciągły do katody.

         Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody. Zamknięcie obwodu odbywa się dzięki jonom, które są przenoszone przez elektrolit . W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło.

         Do ogniwa paliwowego reagenty podawane są  w sposób ciągły i teoretycznie nie  ulega ono rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.

         Wydajność (sprawność elektryczną) pracujących ogniw określa się często jako stosunek energii wytwarzanego prądu do zawartości cieplnej paliwa.

Bateria ogniw paliwowych tzw. stos, składa się z pojedynczych elementów, z których każdy zawiera anodę, katodę i matrycę elektrolitową. Elementy są przedzielone płytami bipolarnymi, wyposażonymi w kanały dopływu reagentów (budowa stosu ogniw paliwowych rys. 1)

Rys. 1 Zasada zestawiania stosów paliwowych

Rys. 2. Schemat przepływu reagentów i jonów w różnych typach ogniw paliwowych

Tabela 1. Typy ogniw paliwowych

W ogniwie paliwowym prąd zostaje wytworzony dzięki reakcjom chemicznym.

Reakcja sumaryczna

2O2 + CH4 ® 2H2O + CO2

W ogniwie paliwowym zasilanym gazem ziemnym cały proces zaczyna się od wydzielania czystego wodoru w reformerze (1)

 Reakcje reformowania

CH4  +  O2 ® 2H2 + CO2

Powstający dwutlenek węgla (2) jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu. 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) wodorowe „rozpuszczają” się w elektrolicie (5).

Reakcja anodowa:

2H2 ® 4H+ + 4e-

Obojętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechwytuje swobodne elektrony powodując powstanie prądu stałego (8). Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie wytwarzając wodę (7)

Reakcja katodowa:

O2 + 4H+ + 4e- ® 2H2O

4. ZALETY I WADY OGNIW PALIWOWYCH

ZALETY:

® Ogniwo paliwowe produkuje energię elektryczną z paliw węglowodorowych bezpośrednio i stąd wynika względna prostota układu przetwarzania energii chemicznej na elektryczną.

® Duża sprawność  przetwarzania energii chemicznej na elektryczną wyprzedzająca inne przetworniki energii (przykłady przedstawiono w tabeli poniżej):

® Sprawność ogniwa paliwowego nie zależy w dużym stopniu od wymiarów urządzenia

® Produkty uboczne jak H2O, CO2, N2 są czyste i bez zapachu

® Emisja SO2, NOX, węglowodorów, tlenków węgla i cząstek stałych – ekstremalnie mała

®Niski poziom hałasu

® Praktycznie dowolna i zajmująca mało miejsca lokalizacja

® System modułowy – łatwość,  szybkość i ekonomiczność budowy

® Łatwość rozbudowy w miarę rosnących potrzeb

®...