Ogniwo paliwowe: Różnice pomiędzy wersjami
| [wersja przejrzana] | [wersja przejrzana] |
Usunięta treść Dodana treść
reorganizacja plus drobne merytoryczne |
|||
Linia 7:
Zaletą ogniw wodorowych jest niewielkie [[zanieczyszczenie powietrza]], które one powodują. Powstające w nich [[spaliny]] składają się wyłącznie z obojętnej dla środowiska [[Para wodna|pary wodnej]]. [[Silnik spalinowy|Silniki spalinowe]] oprócz pary wodnej wytwarzają też [[dwutlenek węgla]], [[Tlenek węgla|czad]], [[ozon]], [[tlenki azotu]] oraz szereg innych [[Toksyny|toksycznych]] substancji.
== Zasada działania ==
Podstawowym rodzajem ogniw paliwowych są ogniwa wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów (elektrolit [[Polimery|polimerowy]]). Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela [[anoda|anodę]] i [[katoda|katodę]]. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego [[papier]]u pokrytego [[platyna|platyną]] w charakterze [[katalizator]]a reakcji.
Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie ulega [[utlenianie|utlenieniu]] (oddaje [[elektron]]y, e<sup>−</sup>), w wyniku czego powstają [[jon wodorowy|kationy wodorowe]] (protony), {{chem|H|+}}:
: {{chem|2H|2}} → {{chem|4H|+}} + 4e<sup>−</sup>
Na katodzie tlen reaguje z elektronami, [[redukcja (chemia)|redukując]] się do {{chem|O|2−}}:
: {{chem|O|2}} + 4e<sup>−</sup> → {{chem|2O|2−}}
[[membrana półprzepuszczalna|Półprzepuszczalna membrana]] pozwala tylko na [[dyfuzja|dyfuzję]] protonów (od anody do katody), nie przepuszcza natomiast innych jonów, w tym [[anion]]ów tlenkowych {{chem|O|2|-}} (od katody do anody). Kationy wodorowe po dotarciu do przestrzeni katodowej reagują z anionami tlenkowymi, dając wodę (w postaci pary lub ciekłej):
: {{chem|2O|2−}} + {{chem|4H|+}} → {{chem|2H|2|O}}
Elektrony z anody docierają do katody poprzez [[obwód elektryczny]], wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.
Istnieją odmiany ogniw paliwowych, w których źródłem energii nie jest wodór w postaci gazowej. Gaz ten jest produkowany w ogniwie na skutek spalania związków chemicznych bogatych w wodór, jak [[metan]] czy [[metanol]]. Wodór zgromadzony w postaci związanej jest łatwiejszy do transportu – zajmuje mniejszą objętość i nie musi być skraplany w bardzo niskiej temperaturze. Jednak sprawność takich ogniw jest mniejsza i często oprócz pary wodnej produkują one [[dwutlenek węgla]]. Niemniej są i tak „czystsze” oraz bardziej wydajne od tradycyjnych silników spalinowych.
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%.
Podobne rozwiązanie może zostać zastosowane w [[Elektrownia wiatrowa|elektrowni wiatrowej]]. Kiedy wieje silny wiatr, nadmiar energii magazynowany jest w postaci wodoru. Kiedy wiatr słabnie, niedobór prądu pokrywa produkcja energii w ogniwie paliwowym. Spekuluje się na temat możliwości budowy systemu rurociągów transportujących [[Przechowywanie wodoru|zmagazynowaną w wodorze]] energię do jej odbiorców.
Zasada działania ogniw paliwowych w których wodór reaguje z tlenem w celu produkcji wody oraz energii elektrycznej, jest odwrotnością procesu [[elektroliza|elektrolizy]], podczas której prąd elektryczny jest przepuszczany przez wodę, w celu rozdzielenia więzów między atomami tlenu i wodoru<ref>{{Cytuj pismo | nazwisko = Minnehan | imię = John | tytuł = Non-Nuclear Submarines? Choose Fuel Cells | czasopismo = U.S. Naval Institute Proceedings | wydawca = U.S. Naval Institute | strony = 60-61 | issn = 0041-798 | język = en | data = June 2019}}</ref>.
== Sprawność ogniwa paliwowego ==
=== Sprawność termodynamiczna ===
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">{{Cytuj książkę |tytuł = Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej |url = http://www.itc.polsl.pl/centrum/kogen/materialy/art10.pdf|strony = 175–189 |rozdział = Ogniwa paliwowe w układach energetycznych małej mocy |nazwisko r = Chmielniak |imię r = Tadeusz J.}}</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>.
Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że zmiana energii wewnętrznej podczas reakcji następuje w wyniku przepływu ciepła do układu i wykonania pracy przez układ, co określa wzór:
:: <math>\Delta U = Q - L.</math>
Praca wykonana przez układ składa się z pracy wykonanej na przenoszenie ładunków elektrycznych <math>(L_e),</math> jak i pracy objętościowej, <math>L_V = p\Delta V.</math> Po dodaniu do obu stron równości wyrażenia pΔV, otrzymujemy wzór na zmianę [[entalpia|entalpii]] w reakcji:
:: <math>\Delta U + p \Delta V = Q - L + p \Delta V = Q - L_e,</math>
:: <math>\Delta H = Q - L_e.</math>
Entalpia jest równa energii jaką można uzyskać z danego procesu przebiegającego przy stałym ciśnieniu.
Przyjmując, że proces jest odwracalny, z II zasady termodynamiki otrzymujemy:
:: <math>Q = T \Delta S,</math>
:: <math>\Delta H = T \Delta S - L_e</math>
lub
:: <math>L_e = \Delta H - T \Delta S = \Delta G.</math>
Prawa strona tego wzoru to [[entalpia swobodna]] zwana funkcją Gibbsa. Wykonana praca zwiększa energię elektryczną przenoszonych elektronów co jest równoważne wytwarzaniu siły elektromotorycznej. Energia ta rozkłada się na wszystkie elektrony przenoszone podczas reakcji. Co dla 1 mola reakcji daje zależności:
:: <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>
gdzie:
: <math>n</math> – liczba elektronów w pojedynczej reakcji,
: <math>A</math> – [[Stała Avogadra|liczba Avogadra]],
: <math>e</math> – ładunek elektronu,
: <math>E</math> – wytwarzana siła elektromotoryczna.
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]].
Sprawność ogniwa określa się jako stosunek energii elektrycznej do całkowitej energii możliwej do uzyskania w wyniku tej reakcji. Reakcja przebiega przy stałym ciśnieniu, dlatego uzyskiwaną energię, czyli energię swobodną odnosi się do entalpii.
:: <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>
gdzie:
: <math>\Delta G</math> – zmiana entalpii swobodnej (funkcji Gibbsa),
: <math>\Delta H</math> – zmiana entalpii całkowitej paliwa,
: <math>\Delta S</math> – przyrost entropii układu,
: <math>T</math> – temperatura bezwzględna pracy ogniwa.
Dla przemian egzotermicznych <math>(\Delta H < 0),</math> 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 />.
=== Czynniki ograniczające sprawność ===
Sprawność ogniwa paliwowego zależy od pobieranej mocy – im pobierana moc jest większa, tym niższa jest sprawność ogniwa. Większość strat przejawia się jako [[spadek napięcia]] ogniwa, tak więc sprawność można przedstawić jako funkcję napięcia zależną od obciążenia ogniwa. Typowe ogniwo pracujące przy napięciu 0,7 V ma sprawność około 50%, co oznacza, ze 50% energii paliwa wodorowego jest zamieniane na energię elektryczną, pozostałe 50% zamieniane jest w ciepło.
=== Rzeczywiste ogniwa ===
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 silniki 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>http://www.worldenergy.org/focus/fuel_cells/377.asp.</ref>) niż cyklu Carnota (21% dla <math>T_1</math> = 293 K i <math>T_2</math> = 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”.
Rzeczywista sprawność produkowanych ogniw sięga 40–60% i jest porównywalna z silnikami cieplnymi. W przypadku wykorzystywania ogniwa do napędu trzeba dodatkowo uwzględnić sprawność przetwarzania energii elektrycznej na pracę.
== Historia ==
[[Plik:Grove's Gaseous Voltaic Battery.png|thumb|Ogniwo wodorowe konstrukcji [[William Grove|Williama R. Grove’a]] z 1839 roku<ref>{{cytuj pismo |autor = Grove, W.R |tytuł = On voltaic series and the combination of gases by platinum |url=https://www.yumpu.com/en/document/view/12900720/on-voltaic-series-and-the-combination-of-gases-by-platinum/2|czasopismo = Philosophical Magazine Series 3 |wolumin = 14 |wydanie = 86 |strony = 127–130 |rok = 1839 |doi = 10.1080/14786443908649684 |język =}}</ref>]]
Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku niemiecko-szwajcarski chemik [[Christian Schönbein|Christian Friedrich Schönbein]]. Opublikował ją w styczniowym wydaniu 1839 „Philosophical Magazine” („Magazynu Filozoficznego”) i na podstawie tej pracy [[Walia|walijski]] naukowiec sir [[William Grove]] stworzył pierwsze działające ogniwo paliwowe. W roku 1887 Walther Hermann Nernst zaproponował i wprowadził opis matematyczny działania ogniwa paliwowego w formie znanej dziś jako równanie Nernsta, które koreluje równowagowy potencjał elektrod ogniwa paliwowe-go z potencjałem standardowym oraz stężeń reagentów procesu elektrochemicznego<ref>{{Cytuj|autor = Jakub Kupecki|rozdział = Rozdział 1: Wprowadzenie |tytuł=Zagadnienia modelowania, konstrukcji i badań eksploatacyjnych układu mikro-kogeneracyjnego z ceramicznymi ogniwami paliwowymi (SOFC) |isbn=978-83-7789-394-4 |redaktor=Kicinski J., Cenian A., Lampart P. |s=11–34 |data = 11.2015}}</ref>. Ogniwa te nie znalazły jednak praktycznego zastosowania aż do lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy to [[Stany Zjednoczone]] wykorzystały ogniwa z membranami polimerowymi, albo [[Alkaliczne ogniwo paliwowe|AFC]] jako źródło elektryczności i wody w swoim programie kosmicznym. W ogniwa paliwowe zostały wyposażone takie statki jak np. [[Gemini 5]], [[Program Apollo|programie Apollo]] - gdzie po raz pierwszy w historii zastosowano ogniwa paliwowe produkowane na skalę przemysłową, czy [[stacja orbitalna]] [[Program Skylab|Skylab]]. Dodatkowym atutem ogniw była produkcja [[Woda pitna|wody pitnej]].
Do produkcji ogniw paliwowych stosowano wówczas niezwykle drogie materiały, a do ich działania były potrzebne bardzo wysokie temperatury oraz tlen i wodór o niskim poziomie zanieczyszczenia. Koszt ich wytworzenia sięgał wówczas 100 000 dolarów za [[Wat|kilowat]], jednak
zdecydowano się na ich użycie, gdyż wodór i tlen wykorzystywano jako paliwo i dzięki temu na [[Statek kosmiczny|statkach kosmicznych]] były dostępne w dużych ilościach.
Dalszy rozwój technologiczny w latach osiemdziesiątych i
dziewięćdziesiątych (między innymi wykorzystanie membrany polimerowej np. [[Nafion]]u jako [[elektrolit]]u oraz zmniejszenie ilości [[Platyna|platyny]] koniecznej do produkcji ogniw) umożliwił zastosowanie ogniw paliwowych do celów komercyjnych, m.in. w prototypowych pojazdach. Przez dotychczasowe lata naukowcy starali się przebić barierę techniczną miniaturyzacji ogniw. W roku 2005 firma [[Intelligent Energy]] wyprodukowała pierwszy na świecie [[motocykl]] [[Emissions Neutral Vehicle|ENV]] całkowicie skonstruowany pod kątem zasilania ogniwami paliwowymi. Udało się pokonać bariery miniaturyzacyjne, tworząc ogniwa [[Polimery|polimerowe]] zasilane [[metanol]]em – [[Ogniwo paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem|DMFC]], co pozwala na zastosowanie ich w przenośnym sprzęcie elektronicznym, używanym z dala od źródeł ładowania akumulatorów, np. w komputerach przenośnych – [[laptop]], czy [[telefon komórkowy|telefonach komórkowych]].
== Polskie układy energetyczne z ogniwami SOFC ==
[[Plik:IEN mCHP.png|thumb|Pierwsza polska instalacja ze stałotlenkowymi ogniwami paliwowymi (SOFC) do generacji energii elektrycznej i ciepła, zbudowana w [[Instytut Energetyki|Instytucie Energetyki]]]]
Pierwsza polska jednostka mikro-kogeneracyjna (ang. ''micro-combined heat and power unit'') została uruchomiona we wrześniu 2015 r. w [[Instytut Energetyki|Instytucie Energetyki]]<ref name="Stępień">{{Cytuj książkę |tytuł = Zagadnienia modelowania, konstrukcji i badań eksploatacyjnych układu mikro-kogeneracyjnego z ceramicznymi ogniwami paliwowymi (SOFC) |inni = Kicinski J., Cenian A., Lampart P. (red.) |data = 2015 |isbn = 978-83-7789-394-4 |rozdział = Konstrukcja układu micro-CHP |autor r = Stępień M., Rychlik M., Wierzbicki M., Bonja M., Stefański M.}}</ref><ref name="Wierzbicki">{{Cytuj książkę |tytuł = Zagadnienia modelowania, konstrukcji i badań eksploatacyjnych układu mikro-kogeneracyjnego z ceramicznymi ogniwami paliwowymi (SOFC) |inni = Kicinski J., Cenian A., Lampart P. (red.) |data = 2015 |isbn = 978-83-7789-394-4 |rozdział = Badania eksploatacyjne układu μ-CHP| autor r = Wierzbicki M., Skrzypkiewicz M., Zieleniak A.}}</ref>. Układ ten ma moc elektryczną i cieplną ok. 2 kW. Instalacja jest zasilana oczyszczonym [[biogaz]]em, jednak możliwe jest wykorzystanie alternatywnych paliw, w tym gazu ziemnego i paliw syntetycznych takich jak [[eter dimetylowy]] (DME)<ref>{{Cytuj |autor = Jakub Kupecki, Janusz Jewulski, Krzysztof Badyda |tytuł = Comparative Study of Biogas and DME Fed Micro-CHP System with Solid Oxide Fuel Cell |czasopismo = Applied Mechanics and Materials |data = 2012|wolumin = 267 |s = 53–56 |doi = 10.4028/www.scientific.net/amm.267.53 |język = en|dostęp=z}}</ref>.
== Wpływ na środowisko ==
Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody uzyskiwania stosowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być używane jako pierwotne źródło energii, lecz konieczne jest wytwarzanie stosowanego w nich wodoru. Chociaż wytwarzanie wodoru w procesie [[Elektroliza|elektrolizy]] ma dość dużą [[sprawność]], to jest ono kosztowne i najtańszą metodą produkcji wodoru jest reforming węglowodorów, gdzie najpopularniejszym procesem jest wytwarzanie go z [[metan]]u w procesie [[Reforming parowy|reformingu parowego]], który ma sprawność około 80%. Produktem ubocznym tego procesu jest [[dwutlenek węgla]], jednak szkodliwość dla środowiska jest ograniczona, gdyż w przeciwieństwie do silników spalinowych dwutlenek węgla nie jest emitowany do atmosfery przez każdy pojazd, lecz powstaje w miejscu wytwarzania wodoru, dzięki czemu można go wykorzystać.
Sceptycy zwracają uwagę na ciągle wysokie koszty produkcji ogniw, jak i paliwa do nich. Do zalet należy jednak dodać to, że sprawność konwersji energii chemicznej paliwa na energię elektryczną przewyższa sprawność większości konwencjonalnych źródeł energii. W ostatnim czasie pojawiają się obiecujące wyniki badań związane z zastąpieniem kosztownych katalizatorów platynowych tańszymi materiałami – firma Ballard wprowadziła na rynek niewielkiej mocy przenośne ogniwa takiego typu [http://ballard.com/about-ballard/newsroom/news-releases/2018/02/21/ballard-receives-follow-on-order-for-next-stage-in-development-of-non-precious-metal-catalyst-based-fuel-cells-for-material-handling].
== Zastosowania ==
Najważniejsze zastosowania ogniw paliwowych:
* zapewnianie energii w [[AIP|niezależnych od powietrza atmosferycznego]] napędach [[okręt podwodny|okrętów podwodnych]], pojazdach kosmicznych.
* dostarczanie energii w miejscach pozbawionych dostępu do sieci energetycznej,
* [[energetyka]],
Linia 228 ⟶ 324:
|
|}
== Przypisy ==
| |||