ogniwa-fc.plogniwa-fc.pl



Poznaj technologię przyszłości - już dziś!


Ogniwa paliwowe - wstęp

Budowa

Ogniwa paliwowe - historia
Ogniwa-paliwowe - budowa
Ogniwa paliwowe - kontakt




Ogniwa paliwowe – budowa i zasada działania

I. Wstęp

Jak wspomniano w poprzednim rozdziale, początki ogniw paliwowych sięgają pierwszych dziesięcioleci  XIX w., kiedy to sir Wiliam Grove opracował ich pierwowzór zwany wówczas „gas voltaic battery”, czyli w prostym tłumaczeniu „gazową baterię woltaiczną”. Wbrew pozorom zasadnicza budowa ogniw paliwowych nie uległa drastycznym zmianom, a zasada działania jest wciąż ta sama. Dzięki temu, śledząc historię ogniw paliwowych można już niejako między wierszami wyczytać budowę ogniw, zarówno tych historycznych, jak i współczesnych. Technika wykonania poszczególnych elementów uległa jednak sporym modyfikacjom, zapewniając optymalizację wielu z nich, dzięki czemu dzisiejsze ogniwa cieszą się znów ogromną popularnością i stoją u bram nowej ery energetyki. Celem niniejszego rozdziału jest opisanie budowy współczesnych ogniw paliwowych i wyjaśnienie podstawowych zasad ich działania.

 

II. Ogólna budowa i zasada działania ogniwa paliwowego

Na początek warto przytoczyć kilka definicji ogniw paliwowych znalezionych w fachowej literaturze przedmiotu. W polskiej literaturze poświęconej ogniwom paliwowym możemy znaleźć ich definicję m. in. w książce Jana Surygały pt.: „Wodór jako paliwo”. Zgodnie z nią: „Ogniwo paliwowe zużywa wodór lub paliwo bogate w wodór oraz tlen do wytworzenia elektryczności w procesie elektrochemicznym. Pojedyncze ogniwo zawiera elektrolit i dwie pokryte katalizatorem porowate elektrody: anodę i katodę.” [5] Z uwagi na ogromne zaangażowanie Amerykańskiego Departamentu ds. Energii w rozwój technologii wodorowej, warto sięgnąć po definicję do podręcznika poświęconego ogniwom paliwowym wydanego właśnie przez ww. departament. Zgodnie z nim: „Ogniwa paliwowe – są to urządzenia elektrochemiczne, które konwertują (przemieniają) chemiczną energię zawartą w paliwie w energię elektryczną bezpośrednio, obiecując generowanie mocy z dużą efektywnością i niską szkodliwością dla środowiska.” [8] Podobne rozumienie pojęcia ogniw paliwowych możemy odczytać z definicji podanej przez Bagotskyego w jego książce pt.: „Fuel Cells. Problems and Solutions” z 2012. Brzmi ona następująco: „Ogniwa paliwowe podobnie jak baterie, stanowią odmianę ogniw galwanicznych, w których dwie lub więcej elektrod (przewodników elektrycznych) jest w kontakcie z elektrolitem (przewodnikiem jonowym). Inną odmianą ogniw galwanicznych są elektrolizery, w których prąd elektryczny jest używany do wytwarzania chemikaliów w procesie odwrotnym do tego, który zachodzi w ogniwach paliwowych, zamieniając elektryczność w energię chemiczną” [1]

Powyższy przegląd definicji pozwala zorientować się we współczesnym rozumieniu pojęcia „ogniwa paliwowe” i naświetla nieco zasadę działania tych urządzeń.

Schemat ogniwa paliwowego i zasady jego działania

Rys 1. Schemat ogniwa paliwowego i zasady jego działania

Na rysunku powyżej przedstawiono prosty schemat obrazujący podstawowe elementy składowe ogniwa paliwowego oraz zasadę jego działania. Możemy z niego odczytać, że niezbędnymi elementami ogniwa paliwowego (OP) są dwie elektrody (anoda i katoda) oraz elektrolit. Dodatkowo widzimy, że elektrody połączone są zewnętrznym obiegiem elektrycznym, w którym podczas pracy ogniwa płynie prąd. W dalszej kolejności możemy się domyślić, że ogniwo to musi być wyposażone w wejście i wyjście gazów reakcyjnych (paliwa – najczęściej wodoru oraz utleniacza – najczęściej powietrza, rzadziej czystego tlenu) oraz wyjście dla produktów ogniwa – wody i ciepła.

Zasadę działania ogniwa łatwo zobrazować na przykładzie ogniw typu PEMFC (ang.: Proton Exchange Membrane Fuel Cell – ogniwa paliwowe z membraną protonowymienną), obecnie najpopularniejszych na rynku [9].

Schemat działania ogniwa paliwowego na przykładzie ogniwa PEMFC

Rys. 2 Schemat działania ogniwa paliwowego na przykładzie ogniwa PEMFC.

Zasada działania ogniwa paliwowego jest bardzo prosta. Do ujemnej elektrody (anody) dostarczamy wodór H2, który uległa rozkładowi na elektrony e- i jony H+ (będące de facto protonami). Z uwagi na fakt, że wodór występuje w przemyśle w postaci dwuatomowej, to przy jego rozkładzie dostajemy dwa jony H+ i dwa elektrony e- na każdą cząsteczkę (molekułę) wodoru. Dodatnią elektrodę ogniwa – katodę, zasilamy utleniaczem – powietrzem lub czystym tlenem. Dzięki zastosowaniu na obu elektrodach odpowiednich katalizatorów (czyli pierwiastków bądź związków chemicznych mających na celu umożliwienie lub przyspieszenie pożądanych reakcji), rozkład wodoru jak również jego późniejsze łączenie się z tlenem przebiegają sprawnie. Kluczem do sukcesu w uzyskaniu elektryczności z chemicznego paliwa, jest elektrolit zawarty pomiędzy elektrodami, który pozwala na przenikanie jedynie jonów H+, czyli protonów, blokując jednocześnie przenikanie elektronów. Elektrony pojawiające się w wyniku katalitycznego rozkładu wodoru H2 nie mogą przedostać się przez elektrolit, dlatego następuje ich wymuszony ruch w obiegu zewnętrznym, którym docierają do elektrody redukującej – katody. Ten ruch elektronów nazywamy właśnie elektrycznością. W obiegu zewnętrznym umieszczamy obciążenie ogniwa (odbiornik energii elektrycznej np.: silnik elektryczny, żarówka), które zasilamy energią elektryczną generowaną przez ogniwo paliwowe. Po zasileniu obciążenia elektrony przemieszczają się w kierunku katody, gdzie ulegają rekombinacji (ponownemu połączeniu) z jonami wodoru. Na katodzie elektrony z obiegu zewnętrznego, poprzez katalizator, jonizują cząsteczki tlenu, nadając im ujemny ładunek elektryczny. Tak zjonizowane cząsteczki tlenu łączą się z jonami wodoru H+ - protonami, dając w efekcie wodę H2O i ciepło. Reakcje zachodzące w naszym schematycznym ogniwie możemy zapisać następująco:

Anoda: H2 -> 2H+ + 2e- ;

Katoda: 1/2O2 + 2e- + 2H+ -> H2O.

Podsumowując możemy powiedzieć, że do ogniwa dostarczamy reagenty – paliwo (najczęściej wodór H2) i utleniacz (najczęściej powietrze), które dzięki jego pracy ulegają przemianie w produkty, którymi są: energia elektryczna, ciepło odpadowe i woda.

Skróconą wersję opisu działania ogniwa możemy przytoczyć z książki Fuel Cell Engines, gdzie napisano, że na anodzie elektrochemiczne utlenianie paliwa produkuje elektrony, które płyną przez płyty bipolarne do obiegu zewnętrznego, kiedy jony migrują przez elektrolit dla zamknięcia obiegu. Elektrony w zewnętrznym obiegu zasilają obciążenie (np. silnik elektryczny, żarówka itp.) i powracają do katody, gdzie są rekombinowane z utleniaczem w katodowej reakcji redukującej. Produktami ogniwa paliwowego są: 1) woda; 2) ciepło odpadowe i 3) energia elektryczna.  [4]

Zasadę działania ogniwa zaprezentowano natomiast na poniższym rysunku, gdzie opisano 4 kolejne kroki ogniwa paliwowego, niezbędne do generowania energii elektrycznej. Rysunki przedstawiają przebieg reakcji dla 2 cząsteczek wodoru H2 i cząsteczki tlenu O2.  W wyniku pracy ogniwa otrzymujemy elektryczność i wodę. Aby lepiej zrozumień pracę ogniwa, warto zajrzeć na stronę źródłową poniższego rysunku, gdzie znajdziemy animację pokazującą zasadę pracy ogniwa. Animacja co prawda jest w języku angielskim, ale jest na tyle czytelna, że nie wymaga tłumaczenia. Aby się w niej poruszać, należy używać zamieszczonego w animacji menu, pozwalającego przechodzić pomiędzy poszczególnymi etapami pracy ogniwa. W animacji tej pokazano przejście od pełnego stosu paliwowego, poprzez pojedynczą komórkę, aż do reakcji zachodzących na poszczególnych elektrodach w samym MEA (ang. Membrane Electrodes Assembly – zestawienie membrany z elektrodami, o którym będzie mowa w dalszej części niniejszego rozdziału), aby znów wrócić do stosu ogniw paliwowych. Animację znajdziemy na stronie: http://energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cell-animation .

 4 Kroki pracy ogniwa paliwowego

Rys. 3 Etapy działania ogniwa paliwowego. Anode Catalyst/Cathode Catalyst – to odpowiednio katalizowana anoda i katoda; PEM – to membrana protonowymienna, będąca elektrolitem w ogniwach typu PEMFC. [Opracowano na podstawie animacji ogniwa paliwowego udostępnionej przez Amerykański Departament Energii pod adresem: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcell_animation.html]

Ogniwa paliwowe mają docelowo być źródłem energii elektrycznej dla bardzo wielu urządzeń, m.in.: urządzeń mobilnych, laptopów, samochodów a nawet całych budynków, fabryk czy osiedli. W tym kontekście warto porównać ich działania ze znanymi dotychczas bateriami i silnikami spalinowymi, które mogą być wyparte przez ogniwa paliwowe w pierwszej kolejności.

Ogniwa paliwowe mają zadziwiająco dużo wspólnego z bateriami. Natomiast zdecydowanie różnią się od silników spalinowych.

Ogniwa paliwowe a baterie.

W przypadku baterii możemy powiedzieć, że ogniwa paliwowe działają jak szczególnego rodzaju baterie o otwartej strukturze. Baterie bowiem również mają dwie elektrody oddzielone elektrolitem, który przepuszcza jony jednocześnie blokując przepływ elektronów. Różnica polega na tym, że w przypadku baterii cała energia elektryczna możliwa do uzyskania za jej pomocą jest zamknięta niejako w niej samej. Proces gromadzenia energii w baterii nazywany jest procesem ładowania, natomiast proces uwalniania tejże energii nazywamy pracą. Kiedy bateria jest ładowana, energia elektryczna pobierana podczas procesu ładowania z zewnętrznego źródła jest zamienia na energię chemiczną i gromadzona wewnątrz baterii. I to właśnie zasadniczo różni baterie od ogniw paliwowych. W ogniwach bowiem energię chemiczną w postaci paliwa i utleniacza dostarczamy z zewnątrz w sposób ciągły i jeśli zapewnimy stały dopływ reagentów, to teoretycznie czas pracy ogniwa jest nieograniczony. Jest to warte podkreślenia, bowiem w bateriach to ich pojemność określa czas pracy baterii, ponieważ cała energia musi być uprzednio upakowana wewnątrz nich, aby można było z niej później skorzystać. W ogniwach sytuacja jest bardziej komfortowa – wystarczy dostarczyć paliwo i utleniacz, aby móc korzystać z energii elektrycznej.


Porównanie baterii i ogniw paliwowych


Rys. 4 Porównanie baterii i ogniw paliwowych

Powyższy rysunek przedstawia budowę baterii i ogniwa paliwowego. Jak widzimy, bateria jest urządzeniem zamkniętym. Chemiczne reagenty nie mają do niej dostępu z zewnątrz, a cała energia chemiczna została w niej zgromadzona dzięki wykorzystaniu źródła energii elektrycznej. Możemy część tej energii transportować wewnątrz baterii i wykorzystać ją w dowolnym czasie i miejscu. Istotne jest w tym miejscu, że musimy dysponować dostępem do źródła energii elektrycznej, aby baterię taką (akumulator) naładować. Po zużyciu energii zawartej wewnątrz baterii, sama bateria staje się bezużyteczna do czasu jej kolejnego naładowania przy użyciu sieci elektrycznej. Zgoła inaczej ma się sprawa z ogniwami paliwowymi. Jak widzimy na rysunku, docierają do nich reagenty, które są źródłem energii chemicznej. Energia ta w ogniwach jest konwertowana na energię elektryczną, którą możemy użyć w dowolnym celu. W przypadku wyczerpania zbiornika paliwa wystarczy podłączyć nowy, aby znów móc się cieszyć elektrycznością generowaną przez ogniwo. Oto najważniejsza różnica pomiędzy ogniwami paliwowymi i bateriami.

 

Ogniwa paliwowe a silniki spalinowe

W przeciwieństwie do baterii, silniki spalinowe znacznie różnią się od ogniw paliwowych pod względem zasady działania i budowy. Powszechnie znana jest zasada ich działania: spalają mieszankę paliwową, a powstałą w tym procesie energię (mechaniczną) przenoszą za pomocą tłoków na wał korbowy, który wyprowadza ją poza silnik i umożliwia napędzanie różnych urządzeń. Najważniejszą różnicą pomiędzy ogniwami paliwowymi a silnikami spalinowymi jest forma energie generowanej za ich pomocą: elektryczna w przypadku ogniw i mechaniczna w przypadku silników spalinowych. W obu przypadkach niepożądanym efektem  jest energia cieplna powstająca podczas ich pracy, przy czym w przypadku ogniw paliwowych energię tę łatwiej zagospodarować i wykorzystać do podniesienia sprawności.

Ponieważ pośrednie stadia produkujące ciepło i energię mechaniczną, typowe dla konwencjonalnych źródeł energii są w ogniwach pominięte, nie podlegają one limitom termodynamicznym takim jak limit Carnot’a. Również z uwagi na brak płomienia podczas utleniania paliwa w ogniwach paliwowych, nie produkują one zanieczyszczeń smolistych. [8]

Z pozoru ogniwa paliwowe i silniki spalinowe są urządzeniami zupełnie innego typu, których porównywanie może budzić zdziwienie. Jest ono jednak uzasadnione, bowiem urządzenia te są rozpatrywane jako alternatywne w kontekście zasilania chociażby samochodów czy zasilaczy awaryjnych (ogniwa paliwowe zamiast tradycyjnych generatorów opartych na silnikach spalinowych).

III. Budowa pojedynczej komórki ogniwa paliwowego

Najczęściej, mówiąc: „ogniwo paliwowe”, mamy na myśli właśnie pojedynczą komórkę ogniwa. Zbudowana jest ona zasadniczo z trzech podstawowych elementów, które są wystarczające do przeprowadzenia elektrochemicznej reakcji przemiany energii chemicznej zawartej w paliwie w energię elektryczną. Te trzy elementy to 2 elektrody i membrana pomiędzy nimi, które stanowią niejako jądro każdej komórki ogniwa paliwowego, zwane powszechnie MEA z angielskiego Membrane Electrodes Assemly – połączenie elektrod z membraną (w dalszej części opracowania nadal będzie w użyciu skrót MEA, który dobrze oddaje cechy tego elementu i w przeciwieństwie do  możliwego polskiego odpowiednika Połączenie Elektrod z Membraną – PEM, nie koliduje z PEM – oznaczającym powszechnie w literaturze Proton Exchange Membrane).

Aby uzmysłowić sobie, gdzie w ogniwie znajduje się jego najważniejszy bodajże element, warto spojrzeć na rysunek zamieszczony poniżej. Przedstawia on schematyczny przekrój przez pojedynczą komórkę ogniwa paliwowego. O wszystkich tych elementach będzie mowa w niniejszym rozdziale, jednak w tym momencie szczególną uwagę poświęćmy wspomnianemu zestawowi MEA.


Komórka ogniwa paliwowego - schemat


Rys. 5 Budowa pojedynczej komórki ogniwa paliwowego. Opracowanie wersji PL na podstawie oryginalnego rysunku pozyskanego z broszury „Fuel Cell – Green Power” za zgodą autorów. [„Fuel Cell – Green Power” - Ta informacja została opracowana przez pracownika lub pracowników Los Alamos National Security, LLC (LANS), agencję Los Alamos National Laboratory na podstawie umowy DE-AC52-06NA25396 z Amerykańskim Departamentem Energii.]

MEA jest centralnym i najistotniejszym elementem każdego ogniwa paliwowego. Chcąc ją umieścić w kontekście całościowego systemu ogniw paliwowych, można powiedzieć, że stos ogniw paliwowych składa się z pojedynczych komórek paliwowych stanowiących jego „cegiełki” energetyczne, natomiast najważniejszym elementem każdej takiej cegiełki jest właśnie MEA. Przyjrzyjmy się zatem bliżej budowie tego elementu.

Budowa MEA

Chcąc przybliżyć budowę MEA możemy niejako wydobyć ją ze środka ogniwa i w powiększeniu zobaczyć, z czego się ono składa. Takie powiększenie przedstawia poniższy rysunek.

MEA - diagram
Rys. 6 Elementy składowe MEA

Dziwić może fakt, że w rzeczywistości MEA jest bardzo cieniutkim elementem, bo jej grubość obecnie nie przekracza 0,2 mm, co pokazano na poniższym rysunku. Jak widać na rysunku, najgrubszym elementem MEA jest sama membrana, na której osadzone są elektrody. W rzeczywistości, w najpopularniejszych ogniwach membrana przybiera postać cieniutkiej folii, na którą nanoszone są elektrody. O istotnej roli MEA w ogniwach stanowią właściwości jej elementów składowych, które opisano w dalszej części rozdziału.

Grubość MEA


Rys. 7 Grubość MEA. Opracowanie wersji PL na podstawie oryginalnego rysunku pozyskanego z broszury „Fuel Cell – Green Power” za zgodą autorów. [„Fuel Cell – Green Power” - Ta informacja została opracowana przez pracownika lub pracowników Los Alamos National Security, LLC (LANS), agencję Los Alamos National Laboratory na podstawie umowy DE-AC52-06NA25396 z Amerykańskim Departamentem Energii.]

Czasem możemy się spotkać z użyciem skrótu CMA (ang. Catalyst Membrane Assebly – połaczenie membrany z katalizatorem) zamiast MEA. Jest to specyficzne połączenie membrany i warstwy katalizatora, pozbawione elektrod, które są oferowane wtenczas oddzielnie. Jednak powszechnym rozwiązaniem jest MEA i to jemu poświęcono dalszą część niniejszego podrozdziału.

Spośród trzech głównych elementów MEA, najważniejsza jest membrana, czyli elektrolit. Jest on zróżnicowany w poszczególnych ogniwach, o czym będzie mowa przy klasyfikacji ogniw, jednak w najpopularniejszych obecnie ogniwach – PEMFC [9], stosuje się membrany polimerowe (zasadniczo stały, organiczny polimer, zazwyczaj poli perfluorowany kwas sulfonowy), najczęściej jest to opracowany przez firmę DuPont Nafion®.

Strukturę typowej membrany tego typu przedstawia poniższy schemat. Widzimy na nim trzy regiony, wyróżnione ze względu na właściwości i zadania realizowane w membranie.

Struktura Nafion'u

Rys. 8 Struktura Nafion’u® [„Fuel Cell – Green Power” - Ta informacja została opracowana przez pracownika lub pracowników Los Alamos National Security, LLC (LANS), agencję Los Alamos National Laboratory na podstawie umowy DE-AC52-06NA25396 z Amerykańskim Departamentem Energii.]

Charakterystyka poszczególnych regionów jest następująca[7]:

Nafion-01.gifpo stokroć powtarzalna jednostka podobna do Teflon’u® występująca wzdłuż, będąca fluoro-węglową (ang. fluorocarbon) podbudową;

    Nafion-02.gif ta część stanowi boczny łańcuch podbudowy służący do połączenia z trzecim regionem;

  Nafion-03.gif skupiska jonów składające się z kwasowych jonów SO3- H+

To właśnie dzięki ostatniej grupie składającej się na PFSA (ang. poliperfluorosulfonic acid), czyli grupie jonów mogących się swobodnie poruszać w membranie, ma ona właściwości protonowymienne i może być używana w ogniwach jako elektrolit.

Opisany powyżej elektrolit jest co prawda najpopularniejszy w ogniwach typu PEM, jednak nie jest on jedyny. Zastosowanie znajdują także inne membrany, które stanowią różnorakie modyfikacje popularnego Nafion’u®. Natomiast w ogniwach wysokotemperaturowych elektrolitem są ceramiczne spieki stałych tlenków, o czym będzie mowa w rozdziale poświęconym klasyfikacji ogniw.

Wracając jednak do elektrolitu w MEA, należy wspomnieć, że ma on do spełnienia dwa zasadnicze wymagania: a) musi zapewniać jonowe przewodnictwo pomiędzy elektrodami; b) musi stanowić fizyczną barierę rozdzielającą gazy reakcyjne pomiędzy elektrodami. [8] Dodatkowo membrana musi charakteryzować się wytrzymałością mechaniczną i nie może podlegać degradacji w wyniku procesów zachodzących w ogniwie. Z uwagi na niskie wartości prądu generowanego w ogniwach, membrana musi być możliwie najcieńsza, aby powodowała jak najmniejsze straty omowe (rezystancji). Współcześnie stosowany Nafion® charakteryzuje się standardową grubością 127 do 254 µm (odpowiednio dla: Nafion®115, Nafion®117 i Nafion®1110 wartości wynoszą: 127 µm, 183 µm i 254 µm). Firma DuPont oferuje także cieńsze membrany, dla wybranych warunków pracy ogniwa i dla uzyskania wyższych sprawności, takie jak Nafion®XL, Nafion® NR211 i Nafion® NR212, które charakteryzują się grubością odpowiednio: 27,5 µm, 25,4 µm i 50,8 µm.

Zgodnie z wcześniejszym opisem, w skład MEA wchodzą elektrody i membrana. Mając już pokrótce scharakteryzowaną membranę stanowiącą elektrolit, warto przyjrzeć się budowie elektrod i ich funkcjom spełnianym w ogniwie.

Na elektrodach zachodzą procesy elektrochemiczne, pozwalające na generowanie prądu elektrycznego w ogniwie. Zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 6., w skład MEA wchodzą dwie elektrody: anoda – elektroda ujemna i katoda – elektroda dodatnia. W tym miejscu zachodzi potrzeba niezbędnego uaktualnienia szczegółów budowy MEA. W najprostszym ujęciu faktycznie składa się ona z 2 elektrod i membrany, jednak chcąc omówić ją dokładniej, należy przyjrzeć się bliżej szczegółom budowy. Otóż aby wspomniane w uproszczonej budowie MEA elektrody i elektrolit mogły faktycznie pracować i generować prąd elektryczny, konieczne jest ich dodatkowe wsparcie. Szczegółowy przekrój MEA ukazujący wszystkie jego elementy, pokazano na rysunku 9.

Gas Diffusion Layers - schemat

Rys. 9 Schematyczny przekrój MEA. (wykonanie własne na podstawie [3])

Jak widać na powyższym rysunku, w rzeczywistości MEA składa się z nieco więcej elementów niż 3 wymienione na początku. Dodatkowo mamy jeszcze warstwy gazo-dyfuzyjne (ang. Gas Diffusion Layers), podbudowę elektrod i katalizator.

Współczesne elektrody są elektrodami typu GDE (ang. Gas Dyfussion Electrodes), czyli typu gazo-dyfuzyjnego. Oznacza to, że są one zbudowane z materiału pozwalającego na przepuszczanie (dyfuzję) gazów reakcyjnych w określony sposób. Można powiedzieć, że w pewnym sensie warstwy GDL (ang. Gas Dyffusion Layers – warstwy gazo-dyfuzyjne) są niejako zintegrowane z podbudową elektrod. Same elektrody bowiem składają się z dwóch części: 1) warstwy gazo-dyfuzyjnej – GDL – wykonanej zazwyczaj z proszku węglowego w formie papieru węglowego lub arkusza węglowego; 2) warstwy katalizatora – katalizatorem jest najczęściej platyna w postaci czerni platynowej PtB (ang. Pt-Black) osadzonej na podkładzie węglowym. Czerń platynowa charakteryzuje się bardzo dużą porowatością, dzięki czemu jej rzeczywista powierzchnia aktywna jest dużą większa niż właściwa powierzchnia geometryczna nią pokryta. [2] Przez pojęcie powierzchni aktywnej rozumiemy powierzchnię, która jest wystawiona na kontakt z reagentami, jest w elektrycznym kontakcie z anodą/katodą, zapewnia jonowy kontakt z elektrolitem i zawiera odpowiednie ilości katalizatora, aby reakcja zachodziła w pożądanym tempie. [8]

Wyjaśnić należy, dlaczego stosuje się elektrody typu GDE zamiast po prostu pozwolić na swobodny przepływ gazów reakcyjnych w elektrodach. Otóż wynika to właśnie z konieczności zapewnienia jak największej powierzchni aktywnej. Gdyby stosowano zwykłe elektrody z litego materiału, nie pozwalałyby one na przepływ gazów, z kolei swobodny dostęp reagentów do katalizatora byłby nieefektywny, ponieważ większość gazów po prostu by przepływała przez katalizator, nie biorąc udziału w reakcji chemicznej.

Elektrody gazo-dyfuzyjne z naniesioną na nie warstwą katalizatora stanowią idealne rozwiązanie konstrukcyjne dla uzyskania możliwie największej powierzchni aktywnej, biorącej udział w pracy ogniwa. Wykonane z papieru węglowego lub tkaniny węglowej warstwy gazo-dyfuzyjne przylegające bezpośrednio do warstwy katalizatora rozproszonego na węglowym podkładzie proszkowym, odpowiadają za optymalne rozprowadzenie gazów reakcyjnych po całej powierzchni elektrody i doprowadzenie reagentów do katalizatora. Warstwy gazo-dyfuzyjne charakteryzują się dużą porowatością, dzięki czemu odpowiednio rozproszone reagenty mogą docierać do katalizowanej części elektrody. Jak widać, elektrody typu GDE są obecnie niezbędnym elementem współczesnych ogniw paliwowych.

Aby kontakt pomiędzy elektrodami a membraną był jak najlepszy, łączy się je w procesie produkcyjnym od razu w zestawy typu MEA, co pozwala zoptymalizować przepływ jonów i elektronów w MEA, wpływając bezpośrednio na zwiększenie sprawności ogniwa.

Zaznaczyć należy także, że elektrody GDE, dzięki wykonaniu z materiałów węglowych (najczęściej proszku węglowego sprasowanego w formie papieru węglowego – tzw. carbon black) mają doskonałe właściwości przewodzące prąd. Jest to istotne z punktu widzenia funkcji spełnianych przez elektrody w komórce ogniwa paliwowego.

Do podstawowych funkcji elektrod w ogniwie paliwowym można zaliczyć [8]:

1) przewodzenie elektronów z warstwy katalizowanej będącej w kontakcie z elektrolitem do zewnątrz ogniwa (anoda) i ponowne doprowadzenie elektronów do warstwy katalizowanej z obiegu zewnętrznego (katoda) w celu zapewnienia obiegu prądu elektrycznego;

2) zapewnienie właściwego rozprowadzenia gazów reakcyjnych na całej powierzchni komórki ogniwa;

3) odprowadzenie produktów ogniwa paliwowego na zewnątrz (np. wody, ciepła).

Aby chronić elektrody przed zalewaniem, pokrywa się je warstwą Teflon®’u.

Kontakt trójfazowy

Pomijając dbałość o dobre połączenie pomiędzy elektrodami a elektrolitem, w MEA istotne jest zapewnienie szczególnego rodzaju łączenia elektrody, katalizatora i elektrolitu, zapewniającego powstanie optymalnych warunków do kontaktu gazu z katalizatorem i elektrolitem. Kontakt ten nosi nazwę kontaktu trójfazowego (ang. three phase contact). Miejsce, w którym kontakt ten zachodzi, to specyficzny mikroregion MEA, odpowiedzialny za przebieg reakcji elektrochemicznych w komórce ogniwa paliwowego.

Trójfazowy kontakt w MEA

Rys.10 Kontakt trójfazowy: gaz-katalizator-elektrolit.

 

Ilustrację kontaktu trójfazowego zamieszczono na rysunku 10. Z punktu widzenia konstrukcyjnego, istotne jest takie połączenie elektrod z katalizatorem i membraną, aby tego typu mikroregionów było w MEA jak najwięcej. Łatwo się bowiem domyślić, że im więcej takich miejsc się znajdzie w MEA, tym wyższa będzie sprawność ogniwa i tym więcej energii uzyskamy za jego pomocą, ponieważ gazy reakcyjne (paliwo i utleniacz) będą efektywniej rozkładane i rekombinowane.

 

IV. Stos paliwowy – zestaw ogniw paliwowych

Jak wspomniano wcześniej, ogniwa paliwowe mogą być budowane w bardzo wielu wariantach mocy, od kilku mW do nawet kilkudziesięciu MW. Jednak pojedyncza komórka ogniwa paliwowego, w idealnym, bezstratnym przypadku generuje napięcie zaledwie 1,23 V przy niewielkim natężeniu prądu  dochodzącym do 1A na cm2 powierzchni. W rzeczywistości, wartości te są mniejsze, ze względu na straty powstające w ogniwie, o czym będzie mowa w dziale poświęconym sprawności ogniw (Ogniwa paliwowe – Sprawność). Zatem w jaki sposób powstają urządzenia o mocy kilkudziesięciu kW czy nawet MW? Odpowiedź jest prosta: powstają poprzez łączenie pojedynczych komórek ogniw paliwowych w zestawy, które popularnie nazywane są stosami paliwowymi lub stosami ogniw paliwowych (ang. fuel cell stack). Stosy te także można łączyć modułowo w większe systemy, gdzie uzyskuje się wspomniane MW energii elektrycznej. Właśnie o budowie i funkcjonowaniu stosów paliwowych będzie mowa w niniejszym podrozdziale.

Zgodnie z powyższym, stos paliwowy składa się z kilku, kilkunastu lub nawet z kilku tysięcy pojedynczych komórek paliwowych. Schematyczny przekrój przez stos paliwowy składający się z trzech symbolicznych komórek paliwowych pokazano na rysunku poniżej.. Warto przyjrzeć się rysunkom numer 5 i 11 w celu wychwycenia elementu, który jest nowy w niniejszym rozdziale. Łatwo zauważyć, że dopiero w stosie paliwowym mamy do czynienia z płytami bipolarnymi, które występują pomiędzy poszczególnymi komórkami stosu paliwowego. Na schemacie tym widać także kanały dolotowe dla reagentów oraz obieg zewnętrzny łączący cały stos. Zaznaczyć należy, że w miejscu środkowej komórki przedstawionej na rysunku, w rzeczywistości może być kilka czy kilkaset komórek paliwowych, bowiem idea działania stosu paliwowego pozostaje niezmienna niezależnie od ilości komórek wchodzących w jego skład.

ogniwo-zestaw.gif

Rys. 11 Stos paliwowy. Opracowanie wersji PL na podstawie oryginalnego rysunku pozyskanego z broszury „Fuel Cell – Green Power” za zgodą autorów. [„Fuel Cell – Green Power” - Ta informacja została opracowana przez pracownika lub pracowników Los Alamos National Security, LLC (LANS), agencję Los Alamos National Laboratory na podstawie umowy DE-AC52-06NA25396 z Amerykańskim Departamentem Energii.]

 

Na pierwszy rzut oka można by się pokusić o wątpliwości co do zasadności stosowania płyt bipolarnych, zamiast prostego łączenia kolejnych komórek paliwowych. Możliwe jest bowiem połączenie komórek paliwowych szeregowo, na zasadzie …anoda-katoda-anoda-katoda-anoda-katoda…, zamykając obieg poprzez połączenie pierwszej anody z ostatnią katodą.  Nie ulega wątpliwości, że układ taki by działał, jednak byłby wysoce nieefektywny. Jak wspomniano wcześniej, pojedyncze ogniwa paliwowe (ogniwo paliwowe domyślnie traktujemy jako pojedynczą komórkę paliwową) generują bardzo niskie napięcie i natężenie prądu. W związku z powyższym każda strata, choćby najmniejsza, ma spory wpływ na całościową sprawność ogniwa jako systemu. W tego typu, szeregowym, połączeniu ogniw paliwowych, każda elektroda bierze udział w przekazywaniu ładunku elektrycznego, co skutkuje ogromnymi stratami, bowiem prąd musi płynąć przez powierzchnię każdej elektrody, aby wrócić do obiegu. Zastosowanie płyt bipolarnych eliminuje ten problem, bowiem płyty te są połączone bezpośrednio z elektrycznym obiegiem zewnętrznym, przez co prąd z elektrod płynie przez nie bezpośrednio do obiegu zewnętrznego, nie angażując elektrod w przekazywanie ładunków elektrycznych wzdłuż całego stosu paliwowego.

Charakterystyka płyt bipolarnych

Określenie „płyty bipolarne” pojawiło się w początkowym okresie badań nad ogniwami paliwowymi, kiedy to elementy te wykonywano w warunkach laboratoryjnych z grafitu. Płyty te miały odpowiednie wyżłobienia doprowadzające gazy reakcyjne – z jednej strony do anody i z drugiej do katody. Jedna płyta miała jakby dwa bieguny – stąd ich nazwa – bipolarne. [2]

Do tej pory wykorzystuje się tę ideę w budowaniu płyt bipolarnych, chociaż technika wytwarzania uległa sporym udoskonaleniom, o czym będzie mowa później.

Płyty bipolarne odgrywają bardzo ważną rolę w budowie ogniw paliwowych. Jako niezbędne elementy stosów paliwowych, spełniają kilka bardzo istotnych funkcji, do których możemy zaliczyć m. in.: zasilanie elektrod w gazy reakcyjne, odbiór prądu z całej powierzchni elektrody, odbiór ciepła powstającego w ogniwie i jego przekazanie na zewnątrz ogniwa, odprowadzenie nadmiaru wody powstającej w wyniku pracy ogniwa paliwowego. [2,3]

Aby płyty bipolarne mogły spełniać te wszystkie zadania, konieczne jest zadbanie o ich właściwą budowę i wykonanie z właściwych materiałów.

Najprostszą wersję budowy płyt bipolarnych pokazano na rysunku poniżej, gdzie umieszczone są one po obu stronach MEA, zapewniając zasilanie dla obu elektrod ogniwa poprzez proste kanały pionowe i poziome.

Płyty bipolarne - Schemat komórki ogniwa paliwowego

Rys. 12 Płyty bipolarne w komórce ogniwa paliwowego. [Opracowano na podstawie animacji ogniwa paliwowego udostępnionej przez Amerykański Departament Energii pod adresem: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcell_animation.html]

 

Jak łatwo można zauważyć, jedna płyta bipolarna służy dwóm sąsiadującym ze sobą komórkom paliwowym. Jedna strona płyty bipolarnej zasila katodę, natomiast druga strona zasila anodę ogniwa sąsiedniego. Z uwagi na rolę swego rodzaju łącznika pomiędzy poszczególnymi komórkami paliwowymi, płyty bipolarne nazywa się także interkonektorami.

Zgodnie z rysunkiem, kanały pionowo wyżłobione w płytach służą dostarczaniu wodoru do ogniwa, natomiast kanały pionowe służą zasilaniu w tlen/powietrze. Jest to jaskrawy przykład budowy płyt bipolarnych, jednak w konkretnych modelach ogniw płyty mają nieco inną budowę, o czym będzie mowa w dalszej części rozdziału.

Jak wspomniano, płyty bipolarne muszą umożliwiać przepływ ładunków elektrycznych z anody do katody, zapewniając połączenie z obiegiem zewnętrznym w ogniwie. Aby spełniały to zadanie, muszą być wykonane z materiałów dobrze przewodzących prąd, najczęściej są to materiały grafitowe lub stal nierdzewna, bada się także możliwości zastosowania materiałów kompozytowych. [3] Dodatkowo muszą one zapewniać przewodnictwo cieplne, co także musi być uwzględnione przy wyborze materiału do ich budowy.

Przy projektowaniu płyt bipolarnych należy także wziąć pod uwagę, fakt, że są one bardzo liczne w stosie paliwowym, co znacznie wpływa na jego objętość i masę. Konieczne jest zatem wykorzystanie płyt możliwie najcieńszych i najlżejszych.

Ogólnie proces projektowania płyt bipolarnych należy do skomplikowanych przedsięwzięć, dlatego wykorzystuje się w jego przeprowadzaniu modelowanie wspomagane komputerowo (CAD) uzupełnione testowaniem fizycznych modeli.

Pamiętać należy, że płyty bipolarne mają za zadanie odprowadzanie wody powstającej w MEA podczas pracy ogniwa. Konieczne jest zatem zapewnienie drożności kanalików wyżłobionych w płytach bipolarnych, aby nie uległy one zapchaniu przez wodę, co uniemożliwiałoby dostęp reagentów do elektrod i skutkowałoby wyłączeniem ogniwa paliwowego lub znacznym spadkiem jego sprawności.

W celu jak najlepszego wykorzystania płyt bipolarnych do zasilania elektrod i odprowadzania produktów komórek ogniwa paliwowego, stosuje się w nich różne, nieraz bardzo skomplikowane wzory wyżłobionych kanalików. Do podstawowych ich rodzajów zaliczamy obecnie [2]: równoległe, serpentynowe, lustrzane, wewnętrzne zasilanie z wykorzystaniem GDL, warstwa GDL bez wyodrębnionych kanałów – w formie metalowej siatki.

V. Zasilanie MEA – zewnętrzne i wewnętrzne

Jak wspomniano wcześniej, płyty bipolarne służą do zasilania elektrod ogniwa paliwowego w gazy reakcyjne. Zasilanie to jednak można realizować przynajmniej na dwa sposoby, powszechnie dzisiaj wykorzystywane. Mowa tu mianowicie o zasilaniu zewnętrznym i wewnętrznym. Podział ten ma swoje uzasadnienie w sposobie dostarczania gazów reakcyjnych do płyt bipolarnych/elektrod w ogniwie paliwowym. W uproszczeniu można powiedzieć, że w pierwszym z nich płyty bipolarne stanowią jedynie drogę przelotową dla gazów reakcyjnych pompowanych do ogniwa przez pojedyncze dla H2 (osobne) i O2 (osobne) wejście i wyjście. W drugim natomiast przypadku płyty bipolarne stanowią tworzywo dla wyżłobionych w nich kanalików doprowadzających gazy reakcyjne precyzyjnie na całą powierzchnię elektrod. Szerzej o wspomnianych sposobach zasilania ogniw paliwowych napisano poniżej.

Pierwszy z nich to zasilanie zewnętrzne. Można powiedzieć, że stos paliwowy pokazany na rysunku 11. jest zasilany w ten właśnie sposób. Jest on prostym sposobem zasilania MEA w gazy reakcyjne, często wykorzystywanym w laboratoriach i modelach pokazowych, ponieważ dobrze ilustruje ideę zasilania ogniw paliwowych. W przypadku tego typu zasilania, mamy do czynienia z przepływem gazów reakcyjnych w dwóch kierunkach: poziomym i pionowym (przyjmujemy tutaj poziomą orientację stosu paliwowego, tzn. kolejne komórki paliwowe są obok siebie, w przeciwieństwie do orientacji pionowej, kiedy komórki paliwowe byłyby względem siebie niżej bądź wyżej). W obu kierunkach mamy pojedynczy wlot i wylot gazów reakcyjnych do i z ogniwa paliwowego, osobno dla wodoru/paliwa i tlenu/utleniacza. Jak widać na rysunku 11., płyty bipolarne na nim pokazane mają również nacięcia wykonane w dwóch kierunkach: poziome i pionowe. Oczywiście wycięcia w płytach bipolarnych odpowiadają kierunkowi przepływu gazów reakcyjnych w ogniwie paliwowym. Łatwo sobie teraz wyobrazić, że nad stosem paliwowym, zawierającym szereg płyt bipolarnych, zamkniętym w szczelnym „opakowaniu” (obudowie ogniwa paliwowego), znajduje się w ściance tejże obudowy zawór dolotowy dla paliwa zasilającego wnętrze ogniwa, które przepływa przez pionowe kanaliki w płytach bipolarnych, zasilając elektrody i wypływając pod ciśnieniem, poprzez umieszczony w dolnej ściance obudowy zawór wylotowy, opuszcza ogniwo. Podobnie w przepływie poziomym, na jednej z bocznych ścianek obudowy ogniwa znajduje się zawór dolotowy, zasilając wnętrze ogniwa w utleniacz, który przepływa przez poziome kanaliki w płytach bipolarnych,  aby opuścić je po przeciwległej stronie poprzez zawór wylotowy. Oczywiście utleniacz również zasila elektrody, dzięki czemu reakcje elektrochemiczne zachodzą w ogniwie w sposób prawidłowy.

Takie rozwiązanie jest najprostszym sposobem na zasilanie ogniwa paliwowego, jednak nie jest one wolne od wad. Zasadniczo mówi się o dwóch podstawowych minusach powyższego rozwiązania [3]:

1) ograniczone możliwości chłodzenia ogniwa paliwowego, ponieważ jedynym sposobem na zwiększenie chłodzenia w ogniwie, jest przepuszczanie większej ilości tlenu/powietrza przez płyty bipolarne, co jest nieekonomiczne, ponieważ dodatkowe powietrze nie bierze udziału w reakcjach elektrochemicznych, zatem jego użycie obniża sprawność ogniwa;

2) problem z uszczelnieniem brzegów płyt bipolarnych i elektrod, który prowadzi do ubytków gazów reakcyjnych, co w oczywisty sposób prowadzi do obniżenia sprawności. Problem ten dotyczy krawędzi płyt bipolarnych i elektrod, gdzie nieefektywne uszczelnienie skutkuje ubytkami gazów reakcyjnych, które pomimo doprowadzenia do wnętrza ogniwa, nie biorą udziału w reakcjach elektrochemicznych.

Jednak pomimo tych wad, zasilanie zewnętrzne jest atrakcyjne dla prostych modeli pokazowych i niewielkich układów amatorskich.

Drugim sposobem zasilania ogniw paliwowych jest zasilanie wewnętrzne – zintegrowane [8], pozbawione powyżej opisanych wad, ale za to o wiele bardziej skomplikowane. Przyjrzyjmy się zatem bliżej jego zasadzie działania.

Podobnie jak w przypadku zasilania zewnętrznego, również w tym przypadku zasilanie samych elektrod odbywa się poprzez system kanalików wyżłobionych w płytach bipolarnych. Jednak tym razem gazy reakcyjne są doprowadzane wewnętrznymi kanałami dolotowymi, zasilającymi szereg płyt bipolarnych „od środka”, stąd też nazwa zasilanie wewnętrzne. Jak to wygląda w praktyce, postaram się wyjaśnić w dalszej części rozdziału, posługując się poniższym rysunkiem (Rys. 13).

Rysunek 13 przedstawia schemat wewnętrznego zasilania ogniwa paliwowego, ukazując sposób zasilania jednej z płyt bipolarnych. Widzimy na nim dwie strony tej samej płyty bipolarnej, służącej do zasilania dwóch elektrod: anody i katody. Zgodnie z zasadą działania ogniwa, anoda jest zasilana wodorem, natomiast katoda tlenem/powietrzem. Na rysunku widzimy kolejno: 1) płytę bipolarną od strony anody z wyżłobionymi kanalikami doprowadzającymi wodór; 2) płytę bipolarną od strony katody z wyżłobionymi kanalikami doprowadzającymi tlen/powietrze; 3) przekrój przez  końcową (zamykającą ogniwo paliwowe) płytę bipolarną z pokazanymi schematycznie wejściami i wyjściami kanałów dolotowych i wylotowych dla gazów reakcyjnych; 4) płytę bipolarną z przylegającą do niej elektrodą umieszczoną pomiędzy wejściami/wyjściami gazów reakcyjnych. Warto w tym miejscu zauważyć, że płyty bipolarne w przypadku zasilania wewnętrznego są nieco większe od elektrod, aby stworzyć wokół MEA swoistą ramkę z umieszczonymi w niej kanałami przelotowymi.


Zasilanie MEA


Rys. 13 Schemat zasilania wewnętrznego płyt bipolarnych i MEA.

Widzimy na rysunku 13., że w płycie bipolarnej znajdują się, oprócz kanalików doprowadzających reagenty do elektrod, cztery otwory opisane jako wejście/wyjście wodoru i tlenu. Dwa z nich stanowią wlot gazów reakcyjnych do zasilania MEA, natomiast dwa pozostałe umożliwiają odprowadzenie nieprzereagowanej części gazów z MEA na zewnątrz. Czarne pierścienie wokół każdego z otworów można interpretować jako uszczelki uniemożliwiające przenikanie gazów reakcyjnych pomiędzy kanalikami wyżłobionymi w płytach bipolarnych.

Podkreślić należy, że w tym typie zasilania ogniwa, prawidłowe uszczelnienie ma decydujący wpływ na pracę urządzenia. Warto jednak wspomnieć, że obecnie skuteczne uszczelnienie poszczególnych płyt bipolarnych okazuje się łatwiejsze niż uszczelnienie całego stosu paliwowego w przypadku zasilania zewnętrznego, zatem jest to argument na korzyść zasilania wewnętrznego.

Aby zrozumieć zasadę działania zasilania wewnętrznego, należy poświęcić chwilę na wyobrażenie sobie funkcjonującego systemu kanałów dolotowych i wylotowych w realnym ogniwie. Posługując się rysunkiem 13., możemy sobie stworzyć obraz płyty bipolarnej, która jest częścią systemu zasilania wewnętrznego. W każdej takiej płycie znajdziemy cztery otwory służące do przepływu gazów reakcyjnych. Jak wspomniano wcześniej, dwa z nich służą do doprowadzania gazów reakcyjnych, natomiast pozostałe dwa do ich odprowadzania. Jeśli wyobrazimy sobie teraz nie jedną, ale przykładowo, 10 płyt bipolarnych ustawionych w szeregu jedna za drugą, to zarysują się nam 4 „kanały” przelotowe przechodzące przez wszystkie 10 płyt w miejscu otworów. Faktycznie to płyty bipolarne ze swoimi wycięciami i ich uszczelnieniami tworzą kanały dla przepływu gazów reakcyjnych w stosie paliwowym. Każdy z otworów natomiast stanowi swego rodzaju rozgałęzienie dystrybuujące otrzymany gaz na powierzchnię elektrod za pomocą kanalików wyżłobionych w samych płytach bipolarnych (wlot) lub miejsce ucieczki dla nadmiaru gazów reakcyjnych wpompowanych do ogniwa (wylot). Jak łatwo już sobie teraz wyobrazić, w każdym stosie paliwowym mamy do czynienia z czterema kanałami przelotowymi, stanowiącymi dwa oddzielne, szczelnie odseparowane układy zasilania w paliwo i utleniacz.

Dodatkowym atutem takiego systemu zasilania jest istnienie wspomnianej wcześniej ramki wokół elektrod, stworzonej przez większą w stosunku do elektrod powierzchnię płyt bipolarnych. Dzięki jej istnieniu powstaje możliwość poprowadzenia w niej dodatkowych kanalików odpowiedzialnych na obieg ośrodka chłodzącego ogniwo (woda, powietrze). Trzecią przewagą zasilania wewnętrznego nad zewnętrznym jest precyzja podawania gazów reakcyjnych do MEA i możliwości jej konfiguracji poprzez różne formy kanalików wyżłobionych w płytach bipolarnych.

W literaturze można znaleźć jeszcze wzmianki o zasilaniu wewnętrznym ingerującym bezpośrednio w GDL [8]. Można go uznać za pewną modyfikację systemu wykorzystującego płyty bipolarne.

Idąc dalej w przeglądzie sposobów zasilania stosów paliwowych w gazy reakcyjne, można przyjrzeć się podziałowi tegoż zasilania ze względu na konfigurację przepływu gazów względem siebie.

Jak wspomniano wcześniej, w stosie paliwowym mamy zasadniczo do czynienia z przepływem dwóch gazów reakcyjnych: paliwa i utleniacza, najczęściej po prostu wodoru i powietrza/tlenu. Aby uzyskać jak najlepsze efekty połączenia tych gazów w ogniwie paliwowym, przekładające się oczywiście na sprawność ogniwa, stosuje się kilka, wzajemnie alternatywnych, konfiguracji przepływu tychże gazów.

 

W literaturze spotkać się możemy z klasyfikacją [8], wyróżniającą przepływ:

a) krzyżowy (ang.: cross-flow) – paliwo i utleniacz podawane są w relacji prostopadłej do siebie – w kanałach poziomych i pionowych, jest to klasyczny sposób zasilania dla płyt bipolarnych w systemie zasilania zewnętrznego;

b) równoległy (ang.: co-flow) – paliwo i utleniacz w równoległych względem siebie kanałach przelotowych;

c) przeciwległy (ang.: counter-flow) – paliwo i utleniacz płyną również w równoległych względem siebie kanałach, ale kierunki ich przepływu są przeciwne;

d) serpentynowy – ścieżki przybierają kształt serpentyn;

e) spiralny – zasilanie w gazy reakcyjne w ogniwach okrągłych.

 

Efektywne zasilanie ogniw paliwowych jest istotne z punktu widzenia zużycia gazów reakcyjnych (szczelność, utylizacja), co bezpośrednio wpływa na sprawność ogniwa, przez co ciągle poszukuje się optymalnych rozwiązań w tym zakresie.

 

VI. Urządzenia wspomagające pracę ogniwa paliwowego – BOP (ang. Balance of Plant)

 Wspomniano wcześniej, że praca ogniwa wymaga dostarczenia gazów reakcyjnych do ogniwa oraz właściwego odprowadzenia produktów powstających w ogniwie (przede wszystkim energii elektrycznej, ale także wody i ciepła). Dodatkowo warto podkreślić, że ogniwo paliwowe nigdy nie występuje w roli samodzielnego urządzenia energetycznego, bowiem zawsze jest częścią systemu energetycznego, chociażby najmniejszego, ale zawsze to już systemu. Wynika to z kilku czynników, o których szerzej będzie mowa w dalszej części rozdziału.

Podkreślmy to jeszcze raz, że ogniwo paliwowe nigdy nie występuje samodzielnie w dziedzinie energetyki. Powód jest bardzo prosty: ogniwo paliwowe to w rzeczywistości jedynie cieniutki zestaw MEA obłożony płytami bipolarnymi. Mamy tu oczywiście na myśli pewne uproszczenie, ale faktem jest, że jest to element umożliwiający przetwarzanie energii chemicznej w elektryczną, ale pod warunkiem, że dostarczymy mu tejże energii chemicznej w postaci paliwa i utleniacza. Dodatkowo do prawidłowej pracy ogniwo paliwowe wymaga spełnienia szeregu kryteriów stawianych samym reagentom jak i procesowi. Do najważniejszych z nich zaliczyć możemy: rodzaj paliwa, czystość paliwa, temperaturę i ciśnienie reagentów, ciśnienie w ogniwie, wilgotność MEA (regulowaną poprzez wilgotność reagentów), temperaturę startową ogniwa – temperaturę ogniwa, przy której elektrolit pracuje prawidłowo, odprowadzanie ciepła i jeszcze kilka innych. Jak widać, nie wystarczy po prostu „dmuchnąć” gazami reakcyjnymi w ścianki MEA – elektrody ogniwa obłożone GDL, aby uzyskać zadowalające wyniki pracy ogniwa paliwowego. Takie postępowanie mogłoby co najwyżej pozwolić na zademonstrowanie, że istotnie ogniwo działa, ale nie mogłoby wtedy być mowy o jakiejkolwiek sprawności ogniwa, bowiem byłaby ona bliska zeru (przyczyn tego stanu można by podać wtedy kilka, np.: nieszczelności, brak zagospodarowania ciepła odpadowego, niewłaściwe nawilżenie MEA i brak odprowadzania wody z ogniwa).

Powyższy opis zarysowuje nieco sytuację „gołego” ogniwa w dziedzinie urządzeń energetycznych i pokazuje jasno, że nie sposób obejść się aktualnie bez urządzeń wspomagających pracę ogniwa paliwowego.  Urządzenia te są różne, w zależności od rodzaju konkretnego ogniwa paliwowego, jego wielkości i zastosowań. Ogólnie można jednak wyróżnić zestaw urządzeń BOP (tym skrótem określa się urządzenia wspomagające pracę ogniwa paliwowego, z ang.: BOP – Balance of Plant), który będzie charakterystyczny dla ogólnie rozumianych ogniw paliwowych, niezależnie od ich rodzaju czy wielkości.

Można wyróżnić kilka podstawowych urządzeń, mających za zadanie umożliwić bądź usprawnić działanie ogniwa paliwowego w systemie energetycznym, a zaliczamy do nich m. in.[1,3,5,8]:

1) zbiorniki paliwowe – zbiorniki z wodorem lub innym paliwem wykorzystywanym do zasilania ogniwa paliwowego;

2) wentylatory, pompy – służące do wymuszania obiegu paliwa lub powietrza w ogniwie;

3) nawilżacze – służą one do odpowiedniego nawilżenia MEA, poprzez właściwe dozowanie wody dostarczanej do ogniwa paliwowego (najczęściej pod postacią mgiełki wodnej wprowadzanej do paliwa lub utleniacza);

4) przetwornice mocy – przetwornice DC/DC, regulatory napięcia, przetwornice DC/AC – służą do zamiany prądu stałego z ogniwa paliwowego na inne, bardziej użyteczne formy prądu elektrycznego – prąd zmienny, o zadanych wartościach wymaganych przez urządzenia elektryczne będące docelowymi odbiornikami prądu generowanego przez ogniwo – wykorzystuje się do tego celu falownik i kondycjoner prądu;

5) procesor paliwowy / reformer – służący do przetwarzania paliwa doprowadzonego do systemu energetycznego (np. gaz ziemny, gaz węglowy)  na paliwo akceptowane przez ogniwo paliwowe (najczęściej wodór o różnym stopniu czystości lub metanol, jednak w przypadku ogniw pracujących w wysokich temperaturach zakres dopuszczalnych paliw jest o wiele większy);

6) zawory kontrolne i układy sterujące – służą do bieżącej, automatycznej kontroli stanu ogniwa paliwowego i odpowiedniego modyfikowania parametrów jego pracy, aby uzyskać optymalne wyniki

7) system chłodzenia – ma zapewnić właściwą temperaturę pracy ogniwa i obieg środka chłodzącego w ogniwie (np. powietrza lub wody);

8) podgrzewacz – stosowany w ogniwach wysokotemperaturowych (typu: SOFC, MCFC – będzie o nich mowa w kolejnych częściach opracowania) w celu rozgrzania elektrolitu do temperatury roboczej;

9) układ odbioru i zagospodarowania ciepła – tyczy się to głównie ogniw o temperaturze pracy powyżej 100 °C, gdzie ciepło odpadowe może zostać praktycznie wykorzystane;

10) zasilanie poszczególnych elementów.

Mając na uwadze ilość elementów niezbędnych do prawidłowego działania systemu energetycznego opartego na ogniwach paliwowych, trudno oprzeć się wrażeniu, że są to niezwykle skomplikowane urządzenia. Istotnie, systemy energetycznie wykorzystujące ogniwa paliwowe wymagają sporej wiedzy zarówno przy projektowaniu jak również przy ich eksploatacji, chociaż współcześnie dostępnie modele komercyjne ograniczają się do konieczności obsługi prostego interfejsu użytkownika. Cała potrzebna wiedza jest zaprogramowana w module sterującym, który wyręcza użytkownika poprzez automatyczne dostrajanie parametrów pracy ogniwa.

VII. Wady i zalety ogniw paliwowych

Można by pokusić się o stwierdzenie, że ogniwa paliwowe to krok milowy na drodze do nowoczesnej energetyki. W porównaniu do współcześnie stosowanych źródeł energii mają one mnóstwo zalet, zarówno w obszarze sprawności jak i ekologii, co jest dzisiaj chyba nawet ważniejsze. Niestety, jak każde urządzenie techniczne, nie są one wolne od wad, dlatego poniżej przedstawiono pokrótce zestawienie głównych plusów i minusów ogniw paliwowych.

 

Zalety ogniw paliwowych zdecydowały o zainwestowaniu w tę technologię ogromnych pieniędzy, które już niedługo powinny się zwracać poprzez komercjalizację tych nowoczesnych urządzeń. Do głównych zalet ogniw paliwowych można zaliczyć [4,6]:

1) wysoka sprawność, dostępna w szerokim zakresie mocy;

2) modułowa budowa i skalowalność mocy od mW do kilkudziesięciu MW;

3) brak elementów ruchomych w samym ogniwie, co wydłuża jego pracę;

4) bliska zeru emisja zanieczyszczeń – samo ogniwo jest praktycznie urządzeniem ekologicznym (nie emituje żadnych zanieczyszczeń przy spalaniu wodoru), jednak pozyskanie paliwa wiąże się najczęściej z emisją zanieczyszczeń, co pośrednio wpływa na obniżenie „ekologicznej wydajności” ogniw;

5) szeroki wybór paliw – nie tylko wodór, ale szeroko rozumiane paliwa bogate w wodór mogą być używane do zasilania ogniw paliwowych, np.: gaz węglowy, metanol, gaz ziemny, benzyny itp.;

6) szybkie tankowanie;

7) decentralizacja systemu energetycznego – ogniwa pracują tam, gdzie są potrzebne, co obniża straty przesyłu  energii i umożliwia dodatkowo wykorzystanie ogniw w charakterze urządzeń skojarzonych energetyczno-cieplnych typu CHP (ang. CHP – Combined Heat and Power).

Niestety ogniwa paliwowe nie są pozbawione wad, które ograniczają ich komercjalizację i wymagają dalszych prac rozwojowych. Do podstawowych wad ogniw paliwowych możemy zaliczyć [4,6]:

1) wysokie koszty budowy, wynikające z produkcji małoseryjnej – przewiduje się, że problem ten będzie rozwiązany wraz ze wzrostem popularności ogniw i produkcją wielkoseryjną;

2) brak taniego, ogólnie dostępnego, paliwa – sieć przesyłu wodoru jest obecnie w fazie rozwoju i póki co nie zapewnia płynności dostaw do prywatnych odbiorców wodoru;

3) brak specyficznego osprzętu wykorzystywanego w ogniwach paliwowych;

4) podatność na zanieczyszczenia uszkadzające membrany w najpopularniejszych ogniwach typu PEMFC;

5) wciąż jeszcze niski poziom niezawodności budowanych ogniw paliwowych – problem ten jest na bieżąco rozwiązywany poprzez stały rozwój materiałów wykorzystywanych w ogniwach paliwowych, zatem w niedługim czasie niezawodność ogniw będzie porównywalna z innymi  źródłami energii;

6) mała gęstość mocy wyrażana w kW/kg i kW/m­­­3 – przyczynia się ona do sporych rozmiarów i ciężaru ogniw paliwowych. Rozwój materiałów i technologii wytwarzania ogniw paliwowych prowadzi do coraz to lepszego radzenia sobie z tym problemem.

Jak widać, sporo z powyższych problemów nie dotyczy samych ogniw jako urządzeń energetycznych, ale raczej ogniw jako całości, w sensie skali produkcji, infrastruktury, dopracowania technologii pozyskiwania czystego paliwa itp. Można jednak śmiało powiedzieć, że dzięki intensywnym badaniom poświęconym ogniwom paliwowym sporo z powyższych problemów jest blisko ostatecznego rozwiązania, a sama technologia ogniw paliwowych zmierza w kierunku osiągnięcia statusu niezawodnego, powszechnego, taniego i ekologicznego sposobu pozyskiwania energii elektrycznej i cieplnej z paliw kopalnych ( w pierwszej fazie komercjalizacji ogniw) i ekologicznie pozyskiwanego wodoru.

Po zapoznaniu się z przedstawionym zestawieniem zalet i wad ogniw paliwowych, trudno oprzeć się wrażeniu, że są to urządzenia, które najlepsze czasy mają dopiero przed sobą. Niemal pewne jest, że i my dożyjemy tych czasów i przekonamy się osobiście o wadach i zaletach tych urządzeń w praktyce.

 

 

 

 
Bibliografia:

1) Vladimir Bagotsky: Fuel Cells Problems and Solutions, John Wiley and Sons, 2012;

2) Gregor Hoogers: Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press, 2003;

3) James Larminie, Andrews Dicks: Fuel Cell Systems Explained, John Wiley and Sons, 2003;

4) Matthew M. Mench: Fuel Cell Engines, John Wiley and Sons, 2008;

5) Jan Surygała: Wodór jako paliwo, Wydawnictwo WNT, 2007;

6) Collin Spiegel: Designing and Building Fuel Cells, The McGraw-Hill Companies, 2007;

7) Sharon Thomas, Marcia Zalbowitz: Fuel Cell – Green Power, Los Alamos National Laboratory, 2000;

8) Fuel Cell Handbook – Edycja 7., EG&G Technical Services Inc. na zlecenie Departamentu Energetyki USA, Wydawnictwo pod patronatem Departamentu Energetyki USA, 2004 – dostępne pod adresem: http://www.netl.doe.gov/File%20Library/research/coal/energy%20systems/fuel%20cells/FCHandbook7.pdf

9) http://fuelcelltoday.com : Fuel Cell Industry Review  2013 – opracowanie dostępne pod adresem: http://fuelcelltoday.com/analysis/industry-review/2013/the-industry-review-2013;

10) http://energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cell-animation;




ogniwa-fc.pl©2013-2020