Poniższy artykuł opracowano w oparciu o stan prawny obowiązujący w momencie powstania tego artykułu.
Redakcja nie gwarantuje aktualności tekstu w okresie późniejszym, jak również nie ponosi odpowiedzialności za ew. stosowanie się do zawartych w nim zaleceń.

Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe wykorzystywane są do zasilania pierwotnego i zapasowego w budynkach komercyjnych, przemysłowych i mieszkalnych oraz w odległych lub niedostępnych obszarach. Mogą służyć do zasilania samochodów, autobusów, łodzi, motocykli, łodzi podwodnych i w misjach kosmicznych. Przeciętnemu Kowalskiemu kojarzą się przede wszystkim z motoryzacją i wykorzystaniem jako paliwa wodoru - czystego, ekologicznego źródła energii. Ich budowa pozwala na uzyskanie energii elektrycznej i cieplnej bezpośrednio z zachodzącej w nich reakcji chemicznej. Ogniwa charakteryzują się dużą czystością, sprawnością i gęstością energetyczną. Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein, co umożliwiło stworzenie przez Walijczyka Sir Williama Grovea pierwszych ogniw paliwowych. Pierwsze komercyjne zastosowanie ogniw paliwowych nastąpiło ponad sto lat później, po wynalezieniu ogniwa paliwowego z wodorem i tlenem przez Francisa Thomasa Bacona w 1932 r. Alkaliczne ogniwo paliwowe, znane również jako ogniwo paliwowe Bacona, było wykorzystywane w programach kosmicznych NASA od połowy lat 60. XX wieku do generowania energii dla satelitów i kapsuł kosmicznych. Ogniwa paliwowe były nie tylko źródłem elektryczności, ale i wody pitnej. Do produkcji ogniw paliwowych stosowano wówczas niezwykle drogie materiały, a do ich działania były potrzebne bardzo wysokie temperatury oraz tlen i wodór o niskim poziomie zanieczyszczenia. Koszt ich wytworzenia sięgał wówczas 100 000 dolarów za kilowat. Dalszy rozwój technologiczny w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku umożliwił zastosowanie ogniw paliwowych do celów komercyjnych.
 

Ogniwo paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody odseparowane są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub jako ciało stałe. Elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów. W wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem wytwarzana jest energia elektryczna i ciepło, zaś produktem ubocznym jest woda. Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. Paliwo - wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami - jest doprowadzane w sposób ciągły do anody, a utleniacz - tlen w stanie czystym lub mieszaninie - podawany jest w sposób ciągły do katody. Teoretycznie nie ulega ono rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów, ograniczają żywotność ogniwa paliwowego. Obecne działania naukowców sprowadzają się do opracowywania materiałów na budowę elektrod, membran, uszczelnień oraz katalizatorów. Celem badań jest wydłużenie żywotności i sprawności ogniwa, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów jego produkcji.
 

Technologia ogniw paliwowych jest rozwijana przede wszystkim w USA, Japonii, Europie i Korei Południowej. Powstanie infrastruktury wodorowej i wdrożenie technologii ogniw paliwowych w urządzeniach codziennego użytku szacuje się na rok 2015. Wodór i inne paliwa wysokowodorowe będące paliwem dla ogniw paliwowych można uzyskiwać, wykorzystując alternatywne źródła energii, takie jak: energia słoneczna, energia wiatru oraz z odpadów biologicznych.
 

Podział ogniw paliwowych bazuje na zastosowanym w ogniwie elektrolicie. Zastosowany elektrolit determinuje temperaturę reakcji zachodzącej w ogniwie oraz rodzaj paliwa zasilającego ogniwo. Każde z ogniw posiada zalety i wady, które określają pola zastosowań dla każdego typu ogniw, co przedstawiają poniższe tabele.

 

Zestawienie typów ogniw paliwowych i ich cech

 

Zestawienie zalet i ograniczeń stosowania różnych typów ogniw paliwowych

 

Jedną z pierwszych technologii ogniw paliwowych, które zostały opracowane i wykorzystane do produkcji energii elektrycznej, były alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC) wykorzystujące alkaliczny elektrolit, taki jak wodorotlenek potasu w wodzie, i na ogół są zasilane czystym wodorem. Pierwsze AFC działały w temperaturze od 100 do 250°C, ale typowe temperatury robocze wynoszą obecnie około 70°C. W wyniku niskiej temperatury roboczej nie jest konieczne stosowanie w układzie katalizatora platynowego, a zamiast tego można zastosować różnorodne metale nieszlachetne jako katalizatory w celu przyspieszenia reakcji zachodzących na anodzie i katodzie. Najczęściej stosowanym katalizatorem w urządzeniach AFC jest nikiel. Ze względu na szybkość zachodzenia reakcji chemicznych ogniwa te oferują stosunkowo wysoką efektywność konwersji paliwa na energię elektryczną, nawet 60% w niektórych zastosowaniach.
 

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC) składają się z anody i katody wykonanej z porowatego grafitu z domieszką platyny, jako katalizatora, która zatrzymuje elektrolit kwasu fosforowego. Są dość odporne na zatrucie tlenkiem węgla, ale mają zwykle mniejszą wydajność niż inne typy ogniw paliwowych w wytwarzaniu elektryczności. Ogniwa te działają w umiarkowanie wysokich temperaturach około 180°C, a ogólna wydajność układu może wynieść ponad 80%, jeżeli ciepło procesowe zostanie wykorzystane do kogeneracji. Ten rodzaj ogniwa paliwowego jest stosowany w kombinowanych systemach dostarczających energii elektrycznej i ciepła (np. dla gospodarstw domowych) o mocy rzędu 50-1000 kW oraz w systemach energetycznych, o mocy rzędu 5-20 MW. Znajduje także zastosowanie w dużych pojazdach, takich jak autobusy. Większość ogniw paliwowych sprzedanych przed 2001 r. korzystała z technologii PAFC.
 

Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC) wykorzystuje jako elektrolit wodną, kwaśną membranę polimerową z elektrodami na bazie platyny. Ogniwa PEMFC działają w stosunkowo niskich temperaturach (poniżej 100°C) i mogą dostosować moc elektryczną do wymagań dynamicznych mocy. Ze względu na stosunkowo niskie temperatury i zastosowanie elektrod na bazie metali szlachetnych ogniwa te muszą działać na czystym wodorze. Ogniwa PEMFC są obecnie wiodącą technologią dla lekkich pojazdów dostawczych i pojazdów do transportu materiałów, a w mniejszym stopniu do zastosowań stacjonarnych i innych. Paliwo wodorowe jest przetwarzane na anodzie, w której elektrony są oddzielane od protonów na powierzchni katalizatora na bazie platyny. Protony przechodzą przez membranę do strony katody komórki, podczas gdy elektrony przemieszczają się w obwodzie zewnętrznym, generując moc elektryczną komórki. Po stronie katody kolejna elektroda z metali szlachetnych łączy protony i elektrony z tlenem w celu wytworzenia wody, która jest usuwana, jako jedyny produkt odpadowy; tlen może być dostarczany w postaci oczyszczonej lub ekstrahowany z elektrody bezpośrednio z powietrza.
 

Ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu (MCFC) wykorzystują stopioną sól węglanową zawieszoną w porowatej matrycy ceramicznej, jako elektrolit. Do powszechnie stosowanych soli należą węglan litu, węglan potasu i węglan sodu. Działają w wysokiej temperaturze około 650°C, co jest zaletą, gdyż wysoka temperatura robocza radykalnie poprawia kinetykę reakcji, a zatem nie jest konieczne jej zwiększanie za pomocą katalizatora z metalu szlachetnego. Wyższa temperatura powoduje również, że komórka jest mniej podatna na zatrucie tlenkiem węgla niż systemy o niższej temperaturze. W rezultacie systemy MCFC mogą działać na różnych paliwach, w tym na paliwie węglowym, metanie lub gazie ziemnym, co eliminuje potrzebę zewnętrznych reformatorów. Wady związane z jednostkami MCFC wynikają z zastosowania ciekłego elektrolitu zamiast ciała stałego oraz z wymogu wtryskiwania dwutlenku węgla na katodę, ponieważ jony węglanowe zużywane są w reakcjach zachodzących na anodzie. MCFC są stosowane w dużym stacjonarnym wytwarzaniu energii. Większość elektrowni na ogniwa paliwowe o mocy megawatowej wykorzystuje MCFC, podobnie jak duże elektrociepłownie. Te ogniwa paliwowe mogą pracować z wydajnością do 65% przy konwersji paliwa na energię elektryczną, a ogólna wydajność może przekraczać 80% w aplikacjach kogeneracyjnych, w których wykorzystywane jest również ciepło procesowe. Ogniwa te powstały w latach sześćdziesiątych XX w. i były bardzo drogie ze względu na elektrody wykonane z metali szlachetnych. W latach siedemdziesiątych XX w. elektrody zaczęto wykonywać z niklu i jego tlenku oraz z chromu. Dzięki temu udało się obniżyć nie tylko cenę, ale i zwiększyć moc z 10 mW/cm² do 150 mW/cm².
 

Ogniwa paliwowe na tlenek stały (SOFC) pracują w bardzo wysokich temperaturach, najwyższych ze wszystkich rodzajów ogniw paliwowych (od ok. 650°C do 1100°C). Mogą mieć sprawność ponad 60% przy konwersji paliwa na energię elektryczną oraz ponad 80%, w układach kogeneracyjnych. SOFC wykorzystują stały ceramiczny elektrolit, taki jak tlenek cyrkonu stabilizowany tlenkiem itru, zamiast cieczy lub membrany. Ich wysoka temperatura pracy oznacza, że paliwa mogą być reformowane w samym ogniwie paliwowym, co eliminuje potrzebę zewnętrznego reformingu i pozwala na stosowanie jednostek z różnymi paliwami węglowodorowymi. Są również stosunkowo odporne na niewielkie ilości siarki w paliwie w porównaniu z innymi rodzajami ogniw paliwowych, a zatem mogą być stosowane z gazem węglowym. Kolejną zaletą wysokiej temperatury roboczej jest to, że poprawia się kinetyka reakcji, eliminując potrzebę stosowania katalizatora metalicznego. Wysokie temperatury mają jednak pewne wady: ogniwa te potrzebują więcej czasu na uruchomienie i osiągnięcie temperatury roboczej, muszą być zbudowane z solidnych, odpornych na ciepło materiałów i muszą być osłonięte, aby zapobiec utracie ciepła. SOFC są szeroko stosowane w dużych i małych stacjonarnych zakładach energetycznych, w generatorach off-grid, testowane są pod kątem mniejszych zastosowań kogeneracyjnych, takich jak łączone domowe ciepło i energia, a te o najmniejszych mocach opracowywane są z myślą o zasilaczach urządzeń przenośnych.
Pod względem uzyskanej mocy znamionowej ogniw paliwowych przewodzi światu Ameryka Północna, w 2018 roku uzyskała moc około 415 MW, co stanowiło 51,7% potencjału światowego. Wyprzedziła ona Azję - 42,7% i moc 343,3 MW oraz Europę z 5,4% i mocą 43,4 MW.
Tak więc ogniwa paliwowe nomen omen stanowią kolejne ogniwo wśród dostępnych źródeł energii, ze swoimi wadami i zaletami.