38

www.elektro.info.pl

7/2002

awaryjne

zasilanie

z ogniwem paliwowym

Obecnie ochrona zasobów

energii i utrzymanie ich na

odpowiednim poziomie staj¹ siê

coraz wa¿niejszymi kwestiami.

Ka¿dego dnia spalamy tak¹ iloœæ

wêgla, do której wytworzenia

niezbêdne jest 10 tysiêcy lat.

Zapotrzebowanie na energiê

elektryczn¹ roœnie. Zasoby oleju

mineralnego i gazu ziemnego mog¹

zostaæ wyczerpane w ci¹gu

naszego ¿ycia, a ju¿ teraz chemicy

mówi¹ o nadchodz¹cej rewolucji

materia³owej i zupe³nie innym

wykorzystywaniu wêgla.

R

ozwi¹zaniem proble-
mów dotycz¹cych ener-
gii jest ochrona energii

i wykorzystanie odpowiednich
jej Ÿróde³. Wodór przez reakcje
nuklearne we wnêtrzu s³oñca
zapewnia naszej planecie ener-
giê potrzebn¹ do podtrzymania
¿ycia. Mo¿liwe, ¿e wodór jako

nowe Ÿród³o energii elektrycz-
nej pomo¿e ludziom rozwijaæ
siê i umo¿liwi unikniêcie dal-
szego marnowania cennych za-
sobów naturalnych i niebezpie-
czeñstwa niestabilnoœci atmos-
fery, zanieczyszczenia l¹dów,
wód i powietrza.

geneza

ogniw

paliwowych

Urz¹dzeniem zamieniaj¹cym

bezpoœrednio paliwo wodorowe
na energiê elektryczn¹ jest og-
niwo paliwowe. Odkryte ju¿
w XIX wieku przez Williama
Grove’a ogniwo gazowe, jak
nazwa³ je wynalazca, musia³o
przebyæ d³ugi proces rozwoju
do pierwszych zastosowañ
praktycznych. W 50. latach
ubieg³ego wieku now¹ techno-
logi¹ zainteresowa³a siê agen-
cja kosmiczna NASA, upatruj¹c
w ogniwach paliwowych idealne
Ÿród³o zasilania w projektowa-
nych w³aœnie pojazdach kos-
micznych. Ogniwo paliwowe ty-
pu PEM zasilane jest wodorem
oraz tlenem pobieranym z po-
wietrza atmosferycznego. Wo-

dór trafia na anodê, wywo³uj¹c
reakcjê chemiczn¹. Katalizator
„wyrywa” z gazu elektrony,
a dodatnio na³adowane jony
przejmuje membrana polimero-
wa. Obojêtny elektrycznie tlen
doprowadzany do katody,
przechwytuje swobodne elektro-
ny i powoduje przep³yw pr¹du
sta³ego. Ujemnie na³adowane
jony tlenu reaguj¹ w membranie
z protonami i wytwarzana jest
cz¹steczka wody. Reakcje te s¹
egzotermiczne, wiêc jedynymi
produktami ubocznymi w proce-
sie wytwarzania pr¹du jest czys-
ta woda i ciep³o.

Zasadnicz¹ przewag¹ ogniw

paliwowych w stosunku do tra-
dycyjnych form wytwarzania
energii elektrycznej jest ca³ko-
wity brak toksycznych odpadów
i spalin. Je¿eli potraktujemy og-
niwo paliwowe jak czarn¹
skrzynkê, to doprowadzaj¹c
z jednej strony paliwo wodoro-
we i powietrze, otrzymamy
czyst¹ wodê nadaj¹c¹ siê do
u¿ytku oraz ciep³o.

G³ównym Ÿród³em paliwa

jest wodór, którego zastosowa-
nie jest tanie i najbardziej eko-
logiczne. Wodór przechowywa-

Bart³omiej Kras
Piotr Biczel
Micha³ Semeniuk

ny jest obecnie w butlach lub
zbiornikach pod wysokim ciœ-
nieniem i przez reduktory dos-
tarczany do ogniwa. Najnowsze
technologie bezpiecznego prze-
chowywania wodoru polegaj¹
na uwiêzieniu cz¹steczek gazu
w specjalnym pojemniku wy-
pe³nionym wodorkami metalu
(fot. 1). Sta³e wodorki metalu
s¹ w stanie zgromadziæ nawet
do 3300 Wh/l energii. Dla po-
równania: klasyczny akumulator
o³owiowo-kwasowy osi¹ga
gêstoœæ energii rzêdu 80 Wh/l.

Ogniwo paliwowe mo¿e byæ

równie¿ zasilane wodorem z re-
formowanego metanolu. Do pro-
dukcji metanolu mo¿emy u¿yæ
biomasy zawieraj¹cej w sobie
„roœliny mocy”, czyli szybko
rosn¹ce drzewa i trawy oraz po-
zosta³oœci zwierz¹t, trociny
i nieczystoœci. Ta technika nie
jest wolna jednak od emisji za-

nieczyszczeñ, poniewa¿ pod-
czas reformowania produktem
ubocznym jest dwutlenek wêg-
la. Obecnie istnieje kilka tech-
nologii budowy ogniw paliwo-
wych. Pierwsze komercyjne og-
niwa wykorzystywa³y elektrolit
ciek³y jako membranê (kwas
fosforowy lub ciek³y wodorotle-
nek potasu). KoniecznoϾ pra-
cy z ciek³ym elektrolitem wy-
maga³a skomplikowanych roz-
wi¹zañ konstrukcyjnych. Kolej-
nym krokiem w rozwoju ogniw
by³o zastosowanie zestalonych
tlenków i stopionych wêglanów
jako membran w rodzinie ogniw
wysokotemperaturowych (do
1000°C temperatury pracy).
Ogniwa wysokotemperaturowe
osi¹gaj¹ dziœ moc rzêdu nawet
200 kW i maj¹ bezpoœredni¹
mo¿liwoœæ zasilania gazem
ziemnym. Ogniwa te znajduj¹
zastosowanie jako systemy ko-

Fot. 1 Zbiornik wodoru, dzia³aj¹cy w oparciu o sta³e wodorki metali

Fot. 2 Ogniwo paliwowe typu PEM

F

40

www.elektro.info.pl

7/2002

generacyjne, a ich wad¹ s¹ ga-
baryty i wysoka temperatura,
która uniemo¿liwia instalacjê
wewn¹trz budynków.

Generacj¹ ogniw paliwo-

wych, wydaj¹c¹ siê najbardziej
odpowiadaæ potrzebom zasila-
nia awaryjnego, s¹ ogniwa pro-
tonów membran¹ wymiany pro-
tonów (PEM) w postaci folii. Og-
niwa te pracuj¹ w temperaturze
nie przekraczaj¹cej 80°C i mo-
g¹ byæ zasilane wodorem lub
metanolem (DMFC) oraz maj¹
ma³e gabaryty w porównaniu
do innych ogniw (fot. 2).

problemy

bezawaryjnego

zasilania

W wielu zastosowaniach

przemys³owych istnieje zasad-
niczy problem w bezprzerwowej
dostawie energii elektrycznej do
urz¹dzeñ. Nowoczesne systemy
UPS radz¹ sobie doskonale
z chwilowymi przerwami ener-
gii i jej z³¹ jakoœci¹. Niestety,
aby zabezpieczyæ urz¹dzenia
odbiorcze przed d³ugotrwa³ym
skutkiem przerwy w zasilaniu,
nie wystarczaj¹ ju¿ baterie
akumulatorów zainstalowane
w UPS-ach. A w celu rozwi¹za-
nia problemu pewnego zasilania
stosuje siê na œwiecie agregaty
pr¹dotwórcze – g³ównie z silni-
kami Diesla. S¹ one urz¹dze-
niami wymagaj¹cymi dozoru,
czêstych przegl¹dów i wymiany
materia³ów eksploatacyjnych.
S¹ du¿e i ciê¿kie oraz produ-
kuj¹ spaliny zanieczyszczaj¹ce
œrodowisko. Wymagaj¹ one
równie¿ precyzyjnej lokalizacji,
ze wzglêdu na bardzo du¿y ha-
³as i drgania podczas pracy.
W dobie rosn¹cych cen paliw
agregaty pr¹dotwórcze staj¹ siê
coraz dro¿szym Ÿród³em nie-
zawodnej energii. Obecnie kla-
syczny system zasilania bezp-
rzerwowego sk³ada siê z UPS-
a wraz z bateriami oraz agrega-
tu pr¹dotwórczego – zwykle

o wiêkszej mocy. Rozwi¹zanie
to jest bardzo kosztowne i wy-
maga zwykle sporych inwestycji
dodatkowych.

Zasadnicz¹ przewag¹ ogniw

paliwowych w stosunku do tra-
dycyjnych form wytwarzania
energii elektrycznej, jest ca³ko-
wity brak toksycznych odpadów
i spalin. Je¿eli potraktujemy
ogniwo paliwowe jak czarn¹
skrzynkê i z jednej strony dopro-
wadzimy wodór i powietrze, ot-
rzymamy czyst¹ wodê nadaj¹-
c¹ siê do u¿ytku jako produkt
uboczny. Ogniwo pracuje bezg-
³oœnie i ma bardzo ma³e gaba-
ryty w porównaniu z agregatem,
a tak¿e mo¿e pracowaæ w do-
wolnym pomieszczeniu.

awaryjne

zasilanie

z ogniwem

paliwowym

typu PEM

Przy wspó³pracy z Politech-

nik¹ Warszawsk¹, w firmie APS
powsta³ pierwszy w Polsce
kompletny system zasilania
awaryjnego, sk³adaj¹cy siê
z ogniwa paliwowego jako
g³ównego Ÿród³a energii
w przypadku pracy awaryjnej.
System zawiera równie¿ nowo-
czesne przetwornice energoe-
lektroniczne oraz baterie che-
miczne dla zapewnienia krótkot-
rwa³ych dostaw energii i za-

pewnienia selektywnoœci zabez-
pieczeñ (rys. 1).

System standardowo zasila-

ny jest czystym wodorem, dos-
tarczanym w butlach lub zbior-
nikach, ale istnieje opcja wypo-
sa¿enia uk³adu w procesor pa-
liwowy umo¿liwiaj¹cy zasilanie
metanolem. Nad prac¹ ca³ego
ogniwa paliwowego i systemu
dystrybucji paliwa czuwa mik-
roprocesorowy system nadzoru,
który steruje prac¹ ca³ego uk-
³adu zasilania i dba o bezpie-
czeñstwo systemu. Uk³ad nad-
zoru wyposa¿ony jest w mo¿li-
woϾ zdalnej komunikacji
z u¿ytkownikiem (np. przez li-
niê GSM) w celu bie¿¹cej kon-
troli stanu systemu i poziomu
paliwa w zbiornikach.

System zasilania jest budo-

wany w oparciu o modu³y i mo-
¿e byæ swobodnie dopasowany
do wymagañ potencjalnego
u¿ytkownika, ze wzglêdu na za-
instalowan¹ moc oraz na rodzaj
zasilania i rezerwowanych od-
biorów. System zasilania z ogni-
wem paliwowym znakomicie
nadaje siê równie¿ do zastoso-
wañ wyspowych, a wiêc przy
braku sieci zawodowej. Przy-
k³adowymi aplikacjami mog¹
byæ przekaŸniki telekomunika-
cyjne lub przenoœne systemy
zasilania. W opcji mo¿na wypo-
sa¿yæ ten uk³ad w dodatkowe
odnawialne Ÿród³a energii,
takie jak turbina wiatrowa czy
ogniwa fotowoltaiczne.

Niew¹tpliwie czeka nas era

wodoru, a urz¹dzenia wyko-
rzystuj¹ce to Ÿród³o energii sta-
n¹ siê w przysz³oœci dominu-
j¹cymi. Ju¿ dzisiaj koncerny sa-
mochodowe wprowadzaj¹ do
sprzeda¿y pierwsze pojazdy wy-
posa¿one w ogniwa paliwowe.
Nied³ugo wszystkie aparaty ko-
mórkowe i laptopy bêd¹ mia³y
baterie z³o¿one z ogniw paliwo-
wych. Istotnym argumentem
staje siê powoli cena tych urz¹-
dzeñ – ju¿ obecnie konkuren-
cyjnych do klasycznych form
wytwarzania energii.

&

literatura

1. Dmowski, Biczel, Kras, „Hybrid

Solar-Wind-Fuel Cell Clean Energy

System With New Type Of Parallel

Regulator”, NorthSun 2001 Con-

ference, 6-8.05.2001 Holandia.

2. Dmowski, Biczel, Kras, „Stand-

alone telecom power system

supplied by PEM fuel cell and

renewable sources”, International

Fuel Cell Workshop 2001,

12-13.11.2001 Japan.

3. Dmowski, Biczel, Kras „Czy ogni-

wa paliwowe stan¹ siê przysz-

³oœci¹ elektroenergetyki”, konfe-

rencja: „UPS 2001-Nowe po-

dejœcie do zasilania awaryj-

nego”, Jachranka k/Warsza-

wy 19-21.11.2001, nr ISSN

0138.0826.

4. Z. Styczyñski „Ogniwa paliwowe.

Przysz³oœæ zasilania?”, „Wio-

senna Szko³a Fundacji Steinbeisa.

Odnawialne Ÿród³a energii XXI

wieku”, 23-24.04.2001 Niemcy.

5. Dmowski, Kras „PEM Fuel Cell

Control System And Power Con-

verters”, Elektrische Energiewan-

dlugssysteme, maj 2002 Niemcy.

05-091 Z¹bki k/Warszawy

ul. Drewnicka 5

tel. [phone]

fax [phone]

e-mail: [e-mail]

www.aps.waw.pl

Rys. 1 System zasilania z ogniwem paliwowym firmy APS