1. Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe, są to urządzenia elektro-chemiczne, które umożliwiają uzyskanie energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w ogniwie reakcji chemicznej. Działanie ogniwa jest zbliżone do działania baterii z tym, że nie ma potrzeby ładować ogniwa - działa ono dopuki jest zasilane paliwem wodorowym. Charakterystyczną cechą ogniw paliwowch jest energetyczna czystość, sprawność i gęstość. Paliwem dla tych ogniw jest najczęściej wodór, żadziej metan. Paliwa można uzyskać z alternatywnych źródeł energii, takich jak: energia słoneczna, energia wiatru, źródła biologiczne (niektóre bakterie, lub odpady biologiczne).

 

 Budowa i zasada działania ogniwa paliwowego

 

 

http://www.ogniwa-paliwowe.com

 

Powyższa ilustracja przedstawia budowę ogniwa paliwego. Składa się ono z dwóch elektrod: anody i katody,  oddzielonych elektrolitem polimerowym. Elektrolit przepuszcza jony protonowe H⁺, natomiast blokuje przepływ elektronów. Kiedy wodór dopłynie do katody, wówczas uwalniane są elektrony, tworząc w ten sposób dodatnie jony wodorowe. Jony przechodzą przez elektrolit, zaś elektrony płyną przez zewnętrzny obwód. Na katodzie dochodzi do reakcji między jonami wodorowymi a pobieranym z otoczenia tlenem, wskutek czego powstaje woda będąca produktem ubocznym reakcji.

Reakcje:

• reakcja na anodzie

 

Instalacja ogniwa paliwowego 

 

 

http://www.zamontujgaz.pl

Powyższy rysunek przedstawia instalację ogniwa paliwowego, którego głównymi elementami są:

 

2. Klasyfikacja ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe dzielimy na:

1. Ogniwa zasadowe - AFC. Są to ogniwa, w których elektrolitem jest wodny roztwór zasady (najczęściej wodorotlenek potasu KOH). Stosuje się następujące rozwiązania konstrukcyjne ogniw AFC, w pierwszym rozwiązaniu przestrzeń pomiędzy elektrodami wypełnia membrana azbestowa nasiąknięta roztworem zasady; w drugim przypadku natomiast elektrolit cyrkuluje w instalacji. Temperatura pracy ogniwa zależy od stężenia elektrolitu, im większe stężenie, tym wyższa jest temperatura pracy ogniwa. Sprawność ogniwa w temperaturze otoczenia równej 20°C, wynosi 50%.

   http://www.ogniwa-paliwowe.info

    
2. Ogniwa polimerowe - PEMFC. W tym ogniwie elektrolitem jest spolimeryzowany fluorkowany kwas sulfonowy w postaci jonowymiennej membrany, która wyróżnia te ogniwa spośród innych. Ogniwo polimerowe działa na asadzie przedstawionej na rysunku poniżej: 

   

     http://www.ogniwa-paliwowe.info
   
3. Kapilarne ogniwa PEMFC - C-PEMFC. Do budowy tych ogniw wykorzystuje się kapilary o średnicy mniejszej niż 3mm, wykonane poprzez zwinięcie cienkich membran bądź wykorzystując metody stosowane do produkcji kabli. Konstrukcja ogniw jest bardziej zwarta, przez co są one lepsze od płaskich ogniw. Kapilary osadzone są w konstrukcji nośnej, która jest częścią podstawową stosu. Części te są łączone ze sobą równolegle i szeregowo.

   http://www.ogniwa-paliwowe.info
4. Ogniwa metanolowe - DMFC. Są to ogniwa paliwowe z polimerowym elektrolitem, zasilane metanolem. Metanol CH₃OH jest łatwy w magazynowaniu i transporcie, a ponadto ma szeroki zakres temperatur pracy (od - 97 do 64°C przy ciśnieniu 1013 hPa).
   
5. Ogniwa stałotlenkowe - SOFC. Są to ogniwa stałe, w których elektrolit ciekły zastąpiono membraną ceramiczną, będącą dobrym przewodnikiem jonów tlenu. Jest to ogniwo wysokotemperaturowe, działające na zasadzie przedstawionej na rysunku:  

   http://www.ogniwa-paliwowe.info
6. Ogniwa węglanowe - MCFC. Elektrolitem w tych ogniwach są stopione w temperaturze 650°C węglany potasu lub litu, umieszczone w ceramicznym spieku. W ogniwie tym katodę stanowi spiek tlenku niklu z litem. Anodą natomiast jest porowaty spiek niklu wzbogacony chromem. Ogniwo działa w następujący sposób: atom wodoru wnika w anodę i wchodząc w kontakt z katalizatorem uwalnia elektron. Elektron biegnie przez obwód zewnętrzny wytwarzając prąd. Proton przenika przez membranę, łączy się z tlenem i powracającymi elektronami, tworząc wodę będącą produktem ubocznym reakcji.
   http://www.ogniwa-paliwowe.info
    
7. Ogniwa z kwasem fosforowym - PAFC. Ogniwo to działa na takiej samej zasadzie jek ogniwo polimerowe. Elektrolitem jest w nim 100% kwas ortofosforanowy w postaci żelu, umieszczony w porowatym węgliku krzemu.  Jest to ogniwo stosowane komercyjnie.
   
8. Ogniwa węglanowe - DCFC. Jest to jedyne ogniwo paliwowe zdolne do konwersji bezpośredniej energii chemicznej paliw węglowych na energię elektryczną. Paliwem w tym ogniwie są substancje bogate w węgiel, utleniaczem jest tlen czysty lub atmosferyczny. Konwersja energii przebiega bez spalania, co podnosi sprawność tego ogniwa.  http://www.ogniwa-paliwowe.info
9. Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe - MFC. Wykorzystywane są w nim mikroorganizmy czerpiące elektrony bezpośrednio z zawartych w molekułach związków atomów wodoru. W ten sposób wytwarzany jest prąd elektryczny. Aby uzyskać pożądane wartości prądu, należy pojedyńcze ogniwa łączyć szeregowo lub równolegle.  Rysunek przedstawia zasadę działania mikrobiologicznego ogniwa paliwowego.

   

  źródło: K. Lapinski, Praca mgr. "Wykorzystanie metanolu jako paliwa, oraz do produkcji energii elektrycznej za pomocą ogniwa paliwowego typu DMFC" 2011