1
Historia
• Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838r szwajcarski chemik Christian F.
Schönbein
• Na tej podstawie w roku 1839 fizyk brytyjski William R. Grove stworzył pierwsze
działające ogniwo paliwowe wytwarzające prąd elektryczny
• Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją
odpadową jest woda
• Ogniwa paliwowe przez ponad wiek były zaledwie ciekawostką laboratoryjną
• Dopiero w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku lekkie i zwarte ich odmiany
NASA zaczęła instalować w statkach kosmicznych do wytwarzania wody i zasilania
ich w energię elektryczną
Zastosowanie
• Energetyka
• Sondy i statki kosmiczne
• Systemy zasilania awaryjnego
• Dostarczanie energii w miejscach pozbawionych dostępu do sieci energetycznej
• Urządzenia mobilne (telefony, laptopy)
• Samochody na wodór
2
Typ ogniwa
Temp pracy
[°C]
Rodzaj elektrolitu Paliwo
Utleniacz
Sprawność
[%]
Alkaliczne
(AFC)
80-90
Roztwór
alkaliczny KOH,
NaOH
Wodór
O2/pow.
50-65
Polimerowe
(PEMFC)
70-90
Membrana
polimerowa
Wodór,
reformowany
metanol lub
metan
O2/pow.
50-65
Fosforowe
(PAFC)
160-220
Kwas fosforowy
H3PO4
Wodór,
reformowany
metan
Pow.
35-45
Węglanowe
(MCFC)
650
Węglan potasu
K2CO3
Wodór, metan,
gaz węglowy
Pow.
45-60
Tlenkowo-
ceramiczne
(SOFC)
850-1000
Tlenek cyrkonu i
tlenek irtu
ZrO2, Y2O3
Wodór, metan,
gaz węglowy
Pow.
50-60
3
Ogniwa alkaliczne AFC
Reakcje:
Katoda:
OH
O
H
e
O
4
2
4
2
2
Anoda:
e
O
H
OH
H
4
4
4
2
2
2
Etapy pracy ogniwa:
•
Absorpcja i jonizacja cząsteczki tlenu na katodzie i dwóch cząsteczek
wodoru na anodzie
•
Absorpcja i jonizacja dwóch cząsteczek wody na katodzie oraz
jonizacja czterech atomów wodoru do protonów i elektronów na
anodzie
•
Migracja czterech jonów OH
-
przez elektrolit od katody do anody
•
Reko
mbinacja czterech protonów i czterech jonów OH
-
do czterech
cząsteczek wody i jej wydalenie na anodzie
4
OGNIWA TLENKOWO-CERAMICZNE SOFC
• Anoda: tzw. cermet niklowy (Ni-YSZ), o zawartości 30% Ni
• Katoda: tzw perowskit (La,Sr)MnO3
• Membrana: tlenek cyrkonu (ZrO2) + tlenek irtu (Y2O3) – bardzo dobry przewodnik
jonów tlenu w wysokich temp.
• Temperatura reakcji w ogniwie: 650-1000°C
• Stosowane paliwa: węglowodory gazowe
• Niewrażliwe na zanieczyszczenia paliwa tlenkami węgla i siarką
• Sprawność kogeneracji energii elektrycznej i ciepła – 85%
Reakcje:
Katoda:
Anoda:
Etapy pracy ogniwa:
1. Absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie i dwóch cząsteczek wodoru na anodzie
2. Jonizacja dwóch atomów tlenu na katodzie oraz jonizacja czterech atomów wodoru do
protonów na anodzie
3. Migracja dwóch anionów tlenu przez elektrolit od katody do anody
4. Rekombinacja na anodzie 2 anionów tlenu i 4 protonów do 2 cząsteczek wody i jej
wydalenie
2
2
2
4
O
e
O
e
O
H
O
H
4
2
2
2
2
2
2
7
Paliwo
Źródło
Magazynowanie
Bezpieczeństwo
Wodór
-
-
-
Benzyna
Ropa naftowa
Konwencjonalne
Niska temperatura zapłonu,
niewysoka granica
łatwopalności, przy
wchłanianiu rakotwórcza
Metanol
Gaz ziemny, biomasa
Działa korozyjnie na gumę,
tworzywa sztuczne i niektóre
metale
Toksyczny, absorbowany przez
skórę, ma niedostrzegalny
płomień
Etanol
Zboża, słoma,
drewno, odpady
organiczne
Działa korozyjnie na gumę,
tworzywa sztuczne i niektóre
metale
Szeroka granica łatwopalności,
mniej toksyczny niż metanol
Metan
Zasoby
nieodnawialne,
węgiel
Wymaga kompresji przy
uzupełnianiu paliwa oraz
zabezpieczania przed
odparowywaniem
Niska temperatura zapłonu, nie
jest rakotwórczy, rozprasza się
w powietrzu
