background image

OGNIWA PALIWOWE

Proces  spalania  paliw  jest  wysoce  nieodwracalny,  wywołuje  znaczne 

straty.  Dlatego  elektrownie  cieplne  oparte  na  spalaniu  paliw  mają małą
sprawność egzergetyczną nie przekraczającą 40%. 

•Egzergia jest to maksymalna zdolność do wykonywania pracy w stosunku 
do 

otaczającej 

przyrody 

(wykorzystanie 

otoczenia 

jako 

ź

ródła 

energetycznie bezwartosciowego ciepła i bezwartosciowych substancji)

• Straty egzergii, towarzyszące nieodwracalnemu spalaniu i przekazywaniu 
ciepła od spalin do czynnika obiegowego, można wyeliminować, realizując 
bezpośrednią zamianę energii  chemicznej  w  elektryczną w  tzw.  ogniwach 
paliwowych
.

background image

• Zapewniają one uzyskanie wysokiej sprawności egzergetycznej
(ponad 60%).

• Pierwsze eksperymenty w tej dziedzinie przeprowadzał E. Justi, 
który zbudował ogniwo węglowe składające się z elektrody 
węglowej (siatka druciana wypełniona węglem), elektrody 
tlenowej (naczynie żelazne pokryte warstwą Fe304 zasilaną i 
aktywowaną stale doprowadzanym tlenem) i elektrolitu (porowate 
naczynie ceramiczne napełnione roztworem sody).

• Ogniwo to zaczyna działać po podgrzaniu do temperatury ~ 
1000 K. Realizacja techniczna tego ogniwa napotyka na trudności 
wynikające między innymi z zawartości popiołu w węglu.

background image

Najnowsze badania koncentrują się głównie na ogniwach zasilanych paliwem 
gazowym. Na rysunku przedstawiono schemat ogniwa wodorowego Bacona. Do 
komór ogniwa doprowadza się tlen i wodór pod ciśnieniem 2—5 MPa. Proces 
przebiega w temperaturze ~ 500 K. Elektrody są sporządzone z porowatego spieku
niklowego (po stronie gazowej pory mają rozmiar około 32 µm, po stronie 
elektrolitu około 16 µm).

Schemat ogniwa wodorowo-tlenowego

background image

Między elektrodami znajduje się ciekły elektrolit (roztwór wodny KOH). Ujemne 
jony OH

wędrują do anody ogniwa, gdzie oddają elektrony i reagują z wodorem, 

tworząc H

2

O według reakcji

Reakcja przebiega w zewnętrznych porach elektrody. Gromadząca się w nich woda 
zostaje uniesiona przez cyrkulujący wodór i następnie skroplona i oddzielona w 
chłodnicy. Dodatnie jony K

+

wędrują do katody ogniwa, gdzie na skutek reakcji z 

tlenem i H

2

O tworzy się KOH

background image

Sumaryczne równanie reakcji  jest  więc  równaniem  utleniania  wodoru.  Ogniwa 

wodorowe  są niedogodne  ze  względu  na  wysoki  koszt  bardzo  czystych  gazów  (a 
szczególnie  wodoru)  niezbędnych  do  zasilania  ogniwa.  Dlatego  podjęto  próby 
zbudowania ogniw paliwowych zasilanych węglowodorami.

Pracę maksymalną ogniwa  paliwowego  można  wyznaczyć za  pomocą równań

termodynamicznych.  Na  podstawie  pracy  maksymalnej  i  prawa  Faradaya  można 
obliczyć teoretyczną siłę elektromotoryczną ogniwa E

max

ν

E

max

F=L

tmax

gdzie 

ν

— liczba elektronów występujących w równaniu stechiometrycznym 

reakcji, 
F

= 96 487 • 10

3

C/kmol elektronów - stała Faradaya

Na  każdy  atom  tlenu  przypadają w  reakcji  utleniania  dwa  elektrony.  Stąd  liczba 
elektronów występujących w równaniu stechiometrycznym

ν

= 4 n

omin

W  ogniwie  rzeczywistym  występują zjawiska  nieodwracalne,  wskutek  czego  siła 
elektromotoryczna jest mniejsza od wynikającej ze wzoru

background image

Bilans energii pozwala wyznaczyć ilość ciepła wyprowadzonego z ogniwa 
paliwowego. W odniesieniu do liczby kilomoli występującej w równaniu 
stechiometrycznym otrzymuje się

Q

w

= I’ – I” – L

t

= I’ – I” -

ν

EF

gdzie  I’,  I” — entalpia  (chemiczna  +  fizyczna)  substancji  doprowadzanych  do 
ogniwa i wyprowadzanych z ogniwa.
Im mniej sprawnie działa ogniwo, tym większa jest ilość wyprowadzonego ciepła. 
Sprawność egzergetyczną ogniwa  określa  stosunek  wykonanej  pracy  do  egzergii 
substratów, powiększonej o ewentualne zużycie egzergii na podgrzewanie ogniwa

gdzie Q

d

zużycie ciepła na utrzymanie podwyższonej temperatury ogniwa

background image

Metanolowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem 

(DMFC - Direct Methanol Fuel Cell)

Elektrolitem jest membrana polimerowa. W procesie rozkładu zachodzącego na anodzie 
następuje bezpośrednie pozyskanie wodoru z ciekłego metanolu, z pominięciem procesu 
reformingu paliwa. W temperaturze około 60°C uzyskuje się wydajność 40%, w wyższej 
temperaturze wydajność wzrasta.

Powyższe ogniwa mogą pracować w systemie regeneratywnych ogniw paliwowych

(RFC - Regenerative Fuel Cell)Tego typu ogniwa pracują w cyklu zamkniętym (rys. 10). Wodór i 
tlen uzyskuje się w procesie elektrolizy bezpośrednio z wody. Źródłem energii dla tego procesu 
jest ogniwo słoneczne. W ogniwie paliwowym wodór łączy się z tlenem, wytwarzając energię
elektryczną i ciepło. Woda jest ponownie kierowana do napędzanego energią słoneczną
elektrolizatora i cykl zostaje zamknięty. 

Rys.10. Przemiana energii w 
ogniwie regeneratywnym