Ogniwo paliwowe – podstawowe informacje
Ogniwo paliwowe to urządzenie, które generuje energię elektryczną z reakcji utleniania paliwa, zazwyczaj wodoru, dostarczanego z zewnątrz. W przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe nie wymagają wcześniejszego ładowania, a ich czas gotowości do pracy jest krótki. Proces produkcji energii nie zmienia chemicznych właściwości elektrod ani elektrolitów.
Ogniwa wodorowe charakteryzują się minimalnym zanieczyszczeniem powietrza, ponieważ ich jedynym produktem ubocznym jest para wodna, w przeciwieństwie do silników spalinowych, które emitują szkodliwe substancje.
Zasada działania
Podstawowym typem ogniw paliwowych są ogniwa wodorowo-tlenowe, które wykorzystują membranę do wymiany protonów. Wodór na anodzie utlenia się, oddając elektrony, podczas gdy tlen na katodzie reaguje z tymi elektronami. Półprzepuszczalna membrana umożliwia przejście tylko protonów do katody, gdzie łączą się z tlenem, tworząc wodę.
Wodór może również być produkowany z innych substancji, takich jak metan czy metanol, co ułatwia transport, ale zmniejsza sprawność ogniw.
Sprawność ogniw paliwowych
Ogniwa paliwowe przetwarzają energię chemiczną na elektryczną z wyższą sprawnością niż silniki cieplne, ponieważ nie konwertują energii na ciepło. Sprawność ogniw jest określana jako stosunek energii elektrycznej do całkowitej energii możliwej do uzyskania z reakcji chemicznej.
Rzeczywista sprawność ogniw paliwowych wynosi 40–60%, co jest porównywalne z silnikami cieplnymi.
Historia
Ogniwa paliwowe zostały odkryte w 1838 roku przez Christian Friedrich Schönbeina. Pierwsze działające ogniwo paliwowe skonstruował sir William Grove. W 1887 roku Walther Hermann Nernst wprowadził matematyczny opis działania ogniwa, znany jako równanie Nernsta.
Wpływ na środowisko
Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy od metody produkcji wodoru. Najczęściej stosowany reforming metanu generuje dwutlenek węgla, jednak jego emisja jest ograniczona w porównaniu do silników spalinowych.
Zastosowania ogniw paliwowych
- Energia dla okrętów podwodnych i pojazdów kosmicznych.
- Wsparcie energetyczne w miejscach bez dostępu do sieci.
- Roboty mobilne.
- Samochody wodorowe, takie jak Toyota Mirai czy Honda FCX Clarity.
- Systemy zasilania awaryjnego.
Rodzaje ogniw paliwowych
- Ogniwo z membraną do wymiany protonów (PEMFC).
- Bezpośrednie ogniwo metanolowe (DMFC).
- Ogniwo z tlenkiem stałym (SOFC).
- Ogniwo ze stopionym węglanem (MCFC).
- Ogniwo kwasu fosforowego (PAFC).
- Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC).
