Ogniwa paliwowe

O alternatywnych paliwach silnikowych już na tej stronie sporo napisałem. Myślę, że pora zająć się zagadnieniami alternatywnych napędów pojazdów.

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem, które przetwarza w procesie utleniania paliwo na energię elektryczną. Robi to jednak w sposób rewolucyjny, bo bezpośredni. Do ogniwa wprowadzamy paliwo, odbieramy z niego prąd. Nie ma w nim procesu spalania, jaki znamy z silników spalinowych. No i przede wszystkim sprawność takich ogniw jest znacznie, znacznie większa, niż dowolnej innej metody na zamianę paliwa w elektryczność!

Mogłoby się wydawać, że to technologia nowoczesna. Istotnie, pierwszy raz na większą skalę zastosowano ogniwa paliwowe w latach 60-tych ubiegłego stulecia, ale historia ogniw paliwowych sięga lat 30-tych XIX wieku! Pierwszy raz teoretyczne podstawy działania ogniw zostały opisane w roku 1838 a rok później zbudowano pierwsze działające urządzenie. Ogniwa wodorowe, zasilane czystym wodorem i czystym tlenem, były źródłem energii elektrycznej dla statków kosmicznych amerykańskiego programu Apollo. Dziś ogniwa paliwowe napędzają samochody, motorówki a nawet okręty podwodne!

Zasada działania ogniw paliwowych

Działanie ogniw paliwowych jest w sumie niespecjalnie skomplikowane.

Ogniwo składa się z dwóch części. Z jednej strony jest dostarczany utleniacz (tlen, powietrze), z drugiej trafia do niego paliwo (wodór, metan, metanol, i inne). W obu częściach są też elektrody. Części przedzielone są przez specjalną barierę. Przez tę barierę nie przepłynie paliwo ani utleniacz, ale konkretne jony już tak. W zależności od rodzaju ogniwa, mogą być to np. protony albo jony ujemne. Reszta cząsteczki, czyli elektrony, przepływają przez kabel łączący dwie elektrody. I właśnie ten przepływ elektronów to produkcja prądu przez ogniwo!

Rodzaje ogniw paliwowych

Tych jest kilka, m.in. alkaliczne ogniwa paliwowe AFC, ogniwa paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym SOFC, ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem MCFC. Różne ogniwa mogą korzystać z różnych paliw, pracują przy różnych temperaturach i osiągają różną sprawność.

Sprawność ogniw paliwowych

Sprawność teoretyczna ogniwa paliwowego jest znacznie wyższa, niż sprawność idealnego silnik cieplnego Carnota. Nic w tym dziwnego, w końcu ogniwo nie jest silnikiem cieplnym, nie odbywają się w nim przemiany termodynamiczne. Ograniczenia wynikające z zasad termodynamiki są więc dla ogniw łagodniejsze, niż dla silników cieplnych.

Produkowane ogniwa paliwowe z łatwością osiągają sprawność 40%, która w przypadku silników spalinowych jest zarezerwowana wyłącznie dla dużych silników wysokoprężnych o mocy rzędu kilku megawatów.

W przypadku ogniw wodorowych sprawność sięga 50%. A ogniwa spalające węgiel do tlenku węgla mogłyby teoretycznie osiągać sprawność większą niż 100%, dzięki wykorzystywaniu energii pobranej z otoczenia pod postacią ciepła.

Zastosowanie ogniw paliwowych

Dziś stosuje się je przede wszystkim do:

• napędu pojazdów (samochodów, motocykli, autobusów), motorówek, okrętów podwodnych,
• zasilania statków kosmicznych,
• produkcji prądu dla urządzeń elektronicznych, w tym telefonów komórkowych i laptopów.

Co ciekawe, ogniwa paliwowe są też stosowane w energetyce. W przypadku stosowania ich w układach skojarzonych, czyli wykorzystujących również powstałe w ogniwie ciepło, mogą one osiągać całkowitą sprawność sięgającą 95%.

Z punktu widzenia tej witryny jest istotne, że istnieją takie rodzaje ogniw, które mogą być zasilane gazem drzewnym!