Ogniwo paliwowe: Różnice pomiędzy wersjami

[[Plik:Alkalinecell.svg|thumb|Schemat budowy ogniwa paliwowego: 1 – [[wodór]]

Ogniwa paliwowe są coraz częściej stosowane w [[Samochód osobowy|samochodach osobowych]]. Przykłady takich modeli to: Honda FCX Clarity<ref>[http://www.autoflesz.pl/artykuly/2073,Honda_FCX_Clarity_najczystsze_auto_na_swiecie_produkcja_seryjna_rozpoczeta.html Honda FCX Clarity – najczystsze auto na świecie, produkcja seryjna rozpoczęta!]</ref>, Nissan X-Trail FCV (Fuel Cell Vehicle), Toyota FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle). Ford proponuje Focusa FCEV Hybrid, nad autami z ogniwami paliwowymi pracuje też General Motors, Mercedes, Mitsubishi i wiele innych koncernów. Nie należy z autami wyposażonymi w ogniwa paliwowe (a więc elektrycznymi) mylić tych, w których paliwem jest wodór, ale spalany w klasycznym silniku cieplnym. Są to BMW hydrogen 7 i Mazda RX 8 hydrogen RE z [[silnik Wankla|silnikiem Wankla]]<ref>[http://www.autoflesz.pl/artykuly/578,Mazda_RX8_hydrogen_pierwszy_silnik_Wankla_zasilany_wodorem.html Mazda RX-8 hydrogen – pierwszy silnik Wankla zasilany wodorem – Autoflesz.pl<!-- Tytuł wygenerowany przez bota -->].</ref>. Mazda RX-8 hydrogen – pierwszy silnik Wankla zasilany wodorem<ref>[http://moto.wp.pl/kat,1646,katn,Co%20nowego%20na%20rynku,wid,347958,widn,Toyota%20wprowadza%20na%20rynek%20pierwszy%20samochd%20napdzany%20ogniwami%20paliwowymi,wiadomosc.html?ticaid=1659b&_ticrsn=3 Toyota wprowadza na rynek pierwszy samochód napędzany ogniwami paliwowymi].</ref><ref>[http://moto.wp.pl/kat,15951,katn,Depesze,wid,1484775,wiadomosc.html?widn=Mitsubishi%20Grandis%20na%20ogniwa%20paliwowe%3F Mitsubishi Grandis na ogniwa paliwowe?]</ref>,

=== Porównanie różnych typów ogniw paliwowych ===

! [[Moc elektryczna| Moc]] (W)

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Metal_hydride_fuel_cell Metalowo-wodorkowe ogniwo paliwowe (MHFC)]

|wodne roztwory [[wodorotlenek | wodorotlenków]]

|{{-Clear}}

| -20–20<br />(<!-- SPRAWDŹ TO MIEJSCE! (NIESPAROWANE NAWIASY OKRĄGŁE) -->50% P_max 0&nbsp;°C

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Electro-galvanic_fuel_cell Elektro-galwaniczne ogniwo paliwowe (EGFC)]

|wodne roztwory [[wodorotlenek | wodorotlenków]]<!--e.g., wodorotlenek potasu-->

|{{-Clear}}

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Formic_acid_fuel_cell Bezpośrednio zasilane kwasem mrówkowym] (DFAFC)

|<50

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|wodne roztwory [[wodorotlenek | wodorotlenków]]<!--e.g., wodorotlenek potasu-->

|{{-Clear}}

|{{-Clear}}

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_fuel_cell Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe]

|membrana polimerowa lub [[Kwasy humusowe | kwas humusowy]]

|{{-Clear}}

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_fuel_cell Odwracalne ogniwo paliwowe (RFC)]

|{{-Clear}}

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|Bezpośredniego zasilania [[borowodorki| borowodorkami]]

|wodne roztwory [[wodorotlenek | wodorotlenków]]<!--e.g., wodorotlenek potasu-->

|{{-Clear}}

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|wodne roztwory [[wodorotlenek | wodorotlenków]]<!--e.g., wodorotlenek potasu-->

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_methanol_fuel_cell Bezpośredniego zasilania metanolem (DMFC)]

|20–30% || 10–20%

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Reformed_methanol_fuel_cell Ogniwa zasilane reformowanym metanolem]

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Direct-ethanol_fuel_cell Bezpośredniego zasilania etanolem (DEFC) ]

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|| 100 W – 500 kW

|50–100 (Nafion)<ref>{{cite web|url = http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/pdfs/fc_comparison_chart.pdf |title=Fuel Cell Comparison Chart |format=PDF |accessdate=2013-02-10}}</ref><br />125–220 (PBI)

|| 50–70% || 30–50%

|wodne elektrolity [[redox]] i membrana polimerowa

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|{{-Clear}}

|40%</br> />Co-Gen: 90%

|stopione [[ węglan litu|węglany litu]] lub [[węglan potasu | potasu]]

|Ogniwa paliwowe z ceramicznym elektrolitem przewodzącym [[proton | protony]]y

|tlenki ceramiczne przewodzące [[jon|jony]]y H⁺

|{{-Clear}}

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_carbon_fuel_cell Węglowe ogniwo paliwowe (DCFC)]

|{{-Clear}}

|tlenki ceramiczne przewodzące [[jon|jony]]OyO^2- najczęściej [[tlenek cyrkonu]]

|Biologiczne ogniwo paliwowe z [[enzym| enzymami]]ami jako katalizator

|{{-Clear}}

|{{-Clear}} || {{-Clear}}

|[https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium-Air_Fuel_Celll Akumulator magnezowo-powietrzny]

|{{-Clear}}

|90%|{{-Clear}}

Elektrony z anody docierają do katody poprzez [[obwód elektryczny]], wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.

W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje. Są jednak urządzenia, w których z ogniwem paliwowym łączy się [[Ogniwo słoneczne|baterie słoneczne]], produkujące wodór przez [[elektroliza|elektrolizę]]. W takim układzie wodór jest produkowany w ciągu dnia z [[Energetyka słoneczna|energii słonecznej]], a w nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego procesu (prąd → wodór → prąd) jest rzędu 30–40%.

Silniki cieplne pracujące w oparciu o paliwo chemiczne spalają paliwo zamieniając jego energię na energię termiczną, energia termiczna jest zamieniana na pracę. Ogniwa paliwowe przetwarzają energię chemiczną na elektryczną w zupełnie inny sposób, bez zamiany na energię termiczną, przez co mogą osiągnąć większą sprawność teoretyczną niż silnik pracujący według idealnego [[cykl Carnota|cyklu Carnota]]<ref name = art10>[http://www.itc.polsl.pl/centrum/kogen/materialy/art10.pdf Ryszard Bartnik<!-- Tytuł wygenerowany przez bota -->].</ref>.

Sprawność przetwarzania energii zawartej w paliwie przez ogniwa, także podlega ograniczeniom wynikającym z [[Pierwsza zasada termodynamiki|zasad termodynamiki]], ale są to całkiem inne ograniczenia niż dla silników cieplnych<ref>http://www.wsipnet.pl/kluby/chemia.html?kto=648&id=5514&par=648 wzór (4).</ref>.

Praca wykonana przez układ składa się z pracy wykonanej na przenoszenie ładunków elektrycznych (<!-- SPRAWDŹ TO MIEJSCE! (NIESPAROWANE NAWIASY OKRĄGŁE) -->L_e, jak i pracy objętościowej L_V = pΔV. Po dodaniu do obu stron równości wyrażenia pΔV, otrzymujemy wzór na zmianę [[entalpia|entalpii]] w reakcji:

:: <math>\Delta H = T \Delta S - L_e \,</math>

:: <math> L_e = n A e E \, </math>

:: <math> E = \frac {L_e} {n A e} = \frac {L_e} {96487 n} = \frac {\Delta G} {96487 n} </math>

Entalpia, jak i funkcja Gibbsa procesu termodynamicznego jest możliwa do obliczenia teoretycznego, znane są też ich zależności od temperatury, ciśnienia itp. Zależność funkcji Gibbsa, a tym samym i siły elektromotorycznej ogniwa, od [[aktywność molowa|aktywności molowej]] reagentów opisuje [[równanie Nernsta]].

:: <math>\eta = \frac {\Delta G} {\Delta H} = \frac{\Delta H - T \cdot \Delta S}{\Delta H} = 1 - \frac{T \cdot \Delta S}{\Delta H} \, </math>

Dla przemian egzotermicznych (ΔH < 0), w których zmiana entropii (ΔS) jest większa od zera, sprawność taka jest nawet większa od jedności. (T jest [[Kelwin|temperaturą absolutną]] ogniwa paliwowego, czyli liczbą zawsze dodatnią.) Oznacza to że, teoretycznie, mogą istnieć reakcje chemiczne w wyniku których ogniwo wytwarza więcej energii elektrycznej niż zawarta w paliwie, pobiera wówczas energię cieplną z otoczenia i zamienia ją na energię elektryczną, taką reakcją jest reakcja utleniania węgla do tlenku węgla, której sprawność teoretyczna wynosi 124,2%<ref name = art10 />.

Dla ogniwa wodorowego pracującego w standardowych warunkach, sprawność jest równa napięciu celi ogniwa podzielonej przez 1,48 V wynikającego z termodynamiki reakcji. Dla tego samego ogniwa [[sprawność egzergetyczna]] jest równa ilorazowi napięcia celi i 1,23 V (napięcie 1,23 V jest zależne od jakości użytego paliwa i temperatury pracy ogniwa). Różnica między sprawnością (termodynamiczną) a sprawnością egzergetyczną wynika z różnicy pomiędzy wykorzystaną entalpią paliwa, a możliwą do wykorzystania [[entalpia swobodna|entalpią swobodną]] Gibbsa. Ta różnica zawsze przejawia się jako ciepło, niezależnie od innych strat konwersji energii elektrycznej<ref> Larminie, James (May 2003). Fuel Cell Systems Explained, Second Edition. SAE International. ISBN 0-7680-1259-7 .</ref>.

Ogniwa paliwowe nie są ograniczone przez maksymalną sprawność [[Cykl Carnota|cyklu Carnota]], tak jak silnik cieplne, ponieważ nie zamieniają energii chemicznej na energię cieplną. Prawa termodynamiki obowiązujące dla reakcji chemicznych ograniczają także maksymalna sprawność ogniwa paliwowego, jednak teoretyczna sprawność ogniw paliwowych jest znacznie wyższa (83% sprawność dla 298 K<ref>www.worldenergy.org/focus/fuel_cells/377.asp.</ref>) niż cyklu Carnota (21% dla T₁ = 293 K i T₂ = 373 K). Prawidłowym jest stwierdzenie, że „ograniczenia narzucone przez drugą zasadę termodynamiki na ogniwa paliwowe są znacznie łagodniejsze niż ograniczenia narzucone na konwencjonalne systemy konwersji energii”.

[[Plik:Grove's Gaseous Voltaic Battery.png|thumb|Ogniwo wodorowe konstrukcji [[William Grove|Williama R. Grove'aGrove’a]] z 1839 roku<ref>W.R. Grove, “On voltaic series and the combination of gases by platinum”, Phil. Mag. 14, 127–130 (1839).</ref>]]

* {{cytuj książkę|autor=Piotr Bujło|tytuł=Polimerowe, superjonowe membrany dla ogniw paliwowych typu PEMFC (rozprawa doktorska)|wydawca=Politechnika Wrocławska|miejsce=Wrocław|data=2007|url=http://www.dbc.wroc.pl/Content/1539/Bujlo+Piotr+Rozprawa+Doktorska.pdf}}