Ogniwa paliwowe ( cz. I.)

Ogniwa paliwowe (ang. Fuel Cells) są jedną z kilku technologii alternatywnych źródeł energii, których gwałtowny rozwój nastąpił w ostatnich latach. Przy czym ogniwo paliwowe charakteryzuje się jednym z najwyższych wskaźników mocy z jednostkowej objętości paliwa. A wszystko bez emisji toksycznych składników spalin i przy bardzo wysokiej sprawności wykorzystania energii paliwa. Dziś możemy się zastanawiać jedynie nad tym, kiedy zastąpią one tradycyjne źródła energii. Ich upowszechnienie może być alternatywą dla energetyki jądrowej.

 

Zasadę działania ogniw paliwowych odkrył w 1838 roku szwajcarski chemik Christaian Freidrych Schöbein. Opublikował ją w

1839 roku w styczniowym wydaniu „Philosophical Magazine”, a na podstawie tej pracy walijski naukowiec William Grove wytworzył pierwsze działające ogniwo paliwowe. Ogniwa te nie znalazły jednak praktycznego zastosowania aż do lat sześćdziesiątych XX wieku. Wtedy Stany Zjednoczone wykorzystały ogniwa z membranami polimerowymi jako źródła elektryczności (i wody) w swoim programie kosmicznym. W ogniwa takie zostały wyposażone statki kosmiczne Gemini 5 i seria Apollo oraz stacja kosmiczna Skylab. Do produkcji tych ogniw stosowano wówczas niezwykle drogie materiały, a do ich działania były potrzebne bardzo wysokie temperatury oraz tlen i wodór o niskim poziomie zanieczyszczenia. Koszt wytworzenia sięgał nawet 100 tys. dolarów za kW; zdecydowano się jednak na ich użycie, gdyż wodór i tlen były dostępne na statkach w dużych ilościach. Dalszy rozwój technologiczny w latach 80. i 90. XX w. umożliwił już zastosowanie ogniw do celów komercyjnych, m.in. w prototypowych pojazdach. Przez ostatnie lata naukowcy starali się przebić barierę technologiczną w ich miniaturyzacji – efektem było ogniwo polimerowe zasilane metanolem (DMFC), które znajduje zastosowanie w przenośnym sprzęcie elektronicznym, używanym z dala od źródeł ładowania akumulatorów, np. w laptopach czy telefonach komórkowych. Obok baterii dla urządzeń elektronicznych coraz szerzej rozwija się jednak produkcję ogniw jako generatorów małej i dużej mocy elektrowni stacjonarnych, napędu do pojazdów i komunikacji. Badania i testy prototypów produktów wykorzystujących ogniwa paliwowe potwierdzają wysoką wydajność i jakość tej technologii.

Czym zatem jest ogniwo paliwowe? – Ogniwo paliwowe to urządzenie generujące energię elektryczną w reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od ogniw galwanicznych (akumulatory, baterie), w których energia wytwarzanego prądu musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń (co znacznie ogranicza czas ich pracy), ogniwa paliwowe nie muszą być wcześniej ładowane. Wystarczy tylko dostarczyć do nich paliwo. W przypadku ogniw galwanicznych ładowanie może trwać wiele godzin, ogniwa paliwowe są gotowe do pracy prawie natychmiast. Szczególną zaletą tych ogniw jest zawsze bardzo niewielkie zanieczyszczenie powietrza, ponieważ produktem spalania jest zwykle para wodna.

„Ogniwa paliwowe są prostym rozwiązaniem w skomplikowanym świecie” – tak brzmiał tytuł referatu Rity Bajut, dyrektora National Energy Technology Laboratory (USA) wygłoszonego jako wprowadzenie w zagadnienie w październiku 1999 roku na pierwszym sympozjum poświęconym temu tematowi. I wszystko wskazuje na to, że rzecz się sprawdza. Bo pomijając całą gamę miniaturowych źródeł energii, ogniwo paliwowe nie tylko zastępuje bardzo złożony proces wytwarzania prądu elektrycznego w elektrowniach komercyjnych, ale też podważa zasadę sformułowaną przez Andre Carnota w 1824 roku, która mówi, że silnik cieplny nie może pracować nie pobierając ciepła ze źródła ciepła i nie oddając go do źródła zimna, czyli atmosfery. Elektrownie, a także silniki wewnętrznego spalania oddają odpowiednio ok. 65% i 80% ciepła do atmosfery. Ogniwa natomiast przynajmniej dwukrotnie efektywniej pozwalają wykorzystać surowce energetyczne. Także eliminują zasadę, iż koszty inwestycyjne generatora prądu elektrycznego maleją wraz ze wzrostem mocy generatora, co obowiązuje elektrownie. Oznacza to, po pierwsze, że ogniwa paliwowe jako źródła energii będą przyczyniać się do dekoncentracji instalowanych mocy źródeł energii. Po drugie, będzie skracany (nawet do miesiąca) okres wprowadzania technologii, który w przypadku

elektrowni dużych mocy wynosi kilka lat. Po trzecie, moce nominalne ogniw paliwowych wyznaczać będą odbiorcy. I jeszcze raz, powtórzmy to, co w przyszłości będzie ich użycie warunkować: są przyjazne dla środowiska.

Bezpośrednim paliwem we wszelkiego typu ogniwach paliwowych jest wodór. Wodór jednak dostarczany w postaci gazowej lub ciekłej winien być magazynowany, co jest procesem energochłonnym, a użytkowanie ogniwa czyni mało opłacalnym. Rozwiązaniem stały się związki wodoru z węglem, a więc węglowodany, takie jak metanol. Praktyczna możliwość magazynowania metanolu w postaci ciekłej i łatwość jego transportowania mogą czynić wszelkie źródła energii jako bezprzewodowe. A w konsekwencji przyczyniłoby się do eliminowania strat i minimalizowania kosztów, stanowiłoby – w perspektywie – kolejny przełom technologiczny źródeł energii. A jest jeszcze cały obszar wykorzystania i produkcji metanolu z biomasy, w polskich warunkach bardzo obszerny i całkowicie pomijany.

Energia dostarczana przez ogniwa paliwowe jest bardzo wysokiej jakości (wysoka gęstość energetyczna, odporność na zakłócenia). Dlatego są one idealnym źródłem zasilania urządzeń medycznych, aparatury pomiarowej, komputerów (itd.) i coraz bardziej skomplikowanych, z którymi będziemy mieli do czynienia w przyszłości. A ponieważ generują one energię elektryczną bezpośrednio z reakcji chemicznej, nie zachodzi w nich proces spalania. I tak, w zastosowaniach mobilnych, ogniwa wytwarzają energię służącą bezpośrednio do napędu (w przeciwieństwie do silników spalinowych, gdzie wytwarzana jest energia mechaniczna, przekształcana przez przekładnie mechaniczne na energię napędową). Sprawność takich ogniw w generowaniu energii mechanicznej sięga 50%. W procesach kogeneracji, czyli produkcji energii elektrycznej i ciepła, ogniwa paliwowe osiągają sprawność nawet 85%. Ogniwa paliwowe mogą być zasilane każdym paliwem bogatym w wodór. Pojedyncze ogniwa paliwowe można łączyć ze sobą w celu osiągnięcia pożądanej mocy. Zespoły ogniw paliwowych różnych kształtów stosuje się już zarówno do zasilania pojedynczej żarówki, jak i do napędzania ciężkich maszyn przemysłowych.

Zalety ogniw paliwowych jako napędu środków transportu i komunikacji spowodowały, że dziś niemal każda licząca się firma motoryzacyjna prowadzi zaawansowane testy pojazdu napędzanego ogniwami. Wszędzie celem badań jest wydłużenie żywotności i sprawności ogniwa, przy jednoczesnym obniżeniu jego kosztów. Powszechność użycia ogniwa paliwowego jest widoczną perspektywą.