Ogniwa paliwowe - czym są, zastosowanie, budowa. Co trzeba o nich wiedzieć?

Ogniwa paliwowe - czym są, budowa i zasada działania

Ogniwa paliwowe działają jak baterie, ale nie wyczerpują się ani nie wymagają ładowania. Produkują energię elektryczną i ciepło tak długo, jak dostarczane jest paliwo. Ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod — elektrody ujemnej (lub anody) i elektrody dodatniej (lub katody) — umieszczonych wokół elektrolitu. Paliwo, takie jak wodór, jest doprowadzane do anody, a powietrze do katody. W ogniwie paliwowym z membraną z elektrolitem polimerowym katalizator rozdziela atomy wodoru na protony i elektrony, które podążają różnymi drogami do katody. Elektrony przechodzą przez obwód zewnętrzny, tworząc przepływ prądu. Protony migrują przez elektrolit do katody, gdzie ponownie łączą się z tlenem i elektronami, wytwarzając wodę i ciepło.

Wykazano, że ogniwa paliwowe są 10 razy bardziej niezawodne niż zasilanie z sieci i działają z mniejszą liczbą ruchomych części, które mogą ulec uszkodzeniu w czasie.

Czym są ogniwa paliwowe PEM?

Ogniwa paliwowe z polimerową membraną elektrolityczną (PEM), zwane także ogniwami paliwowymi z membraną do wymiany protonów, jako elektrolit wykorzystują membranę polimerową przewodzącą protony. Wodór jest zwykle używany jako paliwo. Ogniwa te działają w stosunkowo niskich temperaturach i mogą szybko zmieniać swoją moc wyjściową, aby sprostać zmieniającemu się zapotrzebowaniu na moc. Ogniwa paliwowe PEM są najlepszymi kandydatami do zasilania samochodów. Mogą być również wykorzystywane do stacjonarnej produkcji energii. Jednak ze względu na niską temperaturę pracy nie mogą bezpośrednio wykorzystywać paliw węglowodorowych, takich jak gaz ziemny, skroplony gaz ziemny czy etanol. Paliwa te muszą zostać przekształcone w wodór w reformerze paliwa, aby mogły być wykorzystywane przez ogniwo paliwowe PEM.

Ogniwa galwaniczne - czym są, budowa i zasada działania

Ogniwo galwaniczne jest to układ złożony z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie (dwa półogniwa). Źródłem różnicy potencjałów elektrod są reakcje chemiczne, zachodzące między elektrodami a elektrolitem. Gdy przez ogniwo nie płynie prąd (ogniwo otwarte), różnica potencjałów jest równa sile elektromotorycznej (SEM). Zamknięcie obwodu elektrycznego umożliwia przepływ ładunków i pojawienie się nadnapięcia, wskutek polaryzacji elektrod. Elektroda o niższej wartości potencjału jest anodą, a wyższej – katodą. Katoda ma znak dodatni, a anoda ujemny. Elektrony (eIndeks górny --) płyną od anody do katody. Umownie przyjęto, że prąd elektryczny przepływa w kierunku odwrotnym.

Ogniwo paliwowe vs ogniwo galwaniczne - podstawowe różnice

Ogniwa paliwowe i ogniwa galwaniczne to dwa różne sposoby na generowanie energii elektrycznej, ale działają one na zupełnie innych zasadach. Ogniwa paliwowe można porównać do małych maszyn, które produkują energię bezpośrednio z paliwa, takiego jak wodór. Te "maszyny" nie potrzebują ładowania jak zwykłe baterie. Wystarczy, że dostarczy się im paliwa, a one zaczynają pracować. Działają one poprzez połączenie wodoru z tlenem, co prowadzi do produkcji energii elektrycznej, a jedynym produktem ubocznym jest para wodna. Z drugiej strony mamy ogniwa galwaniczne, które są bardziej jak typowe baterie, jakie znamy z codziennych urządzeń. Te baterie działają poprzez serię reakcji chemicznych, które powodują przepływ prądu. Ale te "baterie" muszą być naładowane, aby mogły działać, a ładowanie zazwyczaj trwa dosyć długo.

Reasumując, różnica pomiędzy ogniwami paliwowymi a galwanicznymi polega na tym, że pierwsze generują energię bezpośrednio z paliwa i nie wymagają ładowania, podczas gdy drugie działają jak typowe baterie, które muszą być naładowane, aby mogły działać.

Tankowanie wodoru przebiega podobnie co tankowanie benzyny lub oleju napędowego. Najważniejszą różnicą jest jednak fakt, że wodór liczy się w kilogramach, a nie w litrach. Ważna jest także kontrola tempa przepływu wodoru przez dystrybutor – gdy zasilanie będzie odbywać się zbyt szybko, może dojść do bardzo niebezpiecznego podwyższenia temperatury. 

Ogniwa paliwowe alkoholowe

Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem (DMFC) jest podobne do ogniwa PEM, ponieważ jako elektrolit wykorzystuje membranę polimerową przewodzącą protony. Jednak DMFC wykorzystują metanol bezpośrednio na anodzie, co eliminuje potrzebę stosowania reformera paliwa. DMFC są przydatne do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak laptopy i ładowarki do akumulatorów. Metanol zapewnia wyższą gęstość energii niż wodór, co czyni go atrakcyjnym paliwem do urządzeń przenośnych.

Ogniwa paliwowe - krótko o historii

Zastosowanie ogniw paliwowych wcale nie jest nowością w motoryzacji. Ogniwa paliwowe są integralną częścią rozwoju przemysłu paliwowego i chociaż początki ich odkrycia datuje się na pierwszą połowę XIX w., to dopiero po 1961 r. zyskały rozgłos na całym świecie. Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku niemiecko-szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein. Opublikował ją w styczniowym wydaniu 1839 "Philosophical Magazine" ("Magazynu Filozoficznego") i na podstawie tej pracy walijski naukowiec sir William Grove stworzył pierwsze działające ogniwo paliwowe. W latach 60. XX wieku Stany Zjednoczone wykorzystały ogniwa z membranami polimerowymi, albo AFC jako źródło elektryczności i wody w swoim programie kosmicznym. W ogniwa paliwowe zostały wyposażone takie statki jak np. Gemini 5, programie Apollo – gdzie po raz pierwszy w historii zastosowano ogniwa paliwowe produkowane na skalę przemysłową. Dodatkowym atutem ogniw paliwowych była produkcja wody pitnej.

Początkowo produkcja ogniw paliwowych była bardzo droga, a ceny sięgały rzędu 100 tys. dolarów za kilowat. Stosowano wówczas niezwykle kosztowne materiały, a do samej pracy ogniwa potrzebne były odpowiednie warunki: bardzo wysoka temperatura oraz czysty tlen i wodór. W roku 2005 firma Intelligent Energy wyprodukowała pierwszy na świecie motocykl ENV całkowicie skonstruowany pod kątem zasilania ogniwami paliwowymi. Udało się pokonać bariery miniaturyzacyjne, tworząc ogniwa polimerowe zasilane metanolem – DMFC, co pozwala na zastosowanie ich w przenośnym sprzęcie elektronicznym, używanym z dala od źródeł ładowania akumulatorów, np. w komputerach przenośnych – laptop, czy telefonach komórkowych. 

Wodorowe ogniwa paliwowe - zalety i zastosowanie

Wodorowe ogniwa paliwowe są czystym, niezawodnym, cichym i wydajnym źródłem wysokiej jakości energii elektrycznej. Dwa główne zastosowania wodorowych ogniw paliwowych to stacjonarne źródła zasilania i pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi (FCV). Samochody elektryczne napędzane ogniwami paliwowymi zwykle przejeżdżają około 500 km lub więcej na pełnym zbiorniku wodoru, z możliwością zatankowania w ciągu 3 do 5 minut. Tankowanie wodorem nie jest bardziej skomplikowane ani czasochłonne niż tankowanie paliwa w samochodzie spalinowym. Podczas gdy obecna cena wodoru jest wyższa niż benzyny, ogniwa paliwowe są około 2,5 razy bardziej wydajne niż silniki benzynowe.

Pojazdy napędzane wodorem są tak samo bezpieczne jak każdy pojazd konwencjonalny. Wodór od dziesięcioleci jest bezpiecznie stosowany w wielu procesach chemicznych oraz w przemyśle ciężkim. Podobnie jak w przypadku każdego rodzaju nośnika energii, konwencjonalnego lub alternatywnego, paliwa palne muszą być traktowane z ostrożnością.

Przyszłość napędu wodorowego w motoryzacji

Pionierem w zastosowaniu i rozwoju ogniw wodorowych w branży automotive jest Toyota, która od 2014 roku oferuje model Mirai, zaś w 2021 roku zadebiutowała jego druga generacja. Niedawno marka ogłosiła plany związane z dalszym rozwojem ogniw wodorowych. Od lipca 2023 roku wszystkie aspekty działalności związanej z wodorem – rozwój, produkcja, sprzedaż, podlegają nowej organizacji o nazwie Hydrogen Factory. Toyota szacuje, że do 2030 roku sektor wodorowy będzie warty pięć bilionów jenów, a największymi rynkami będą Chiny, Europa oraz Ameryka Północna. Firma już teraz ma zamówienia na 100 tys. zestawów ogniw paliwowych. Toyota planuje wprowadzić kolejną generacją wodorowych ogniw paliwowych już w 2026 roku. Nowa odsłona ogniw ma charakteryzować się większą gęstością energii (16,3 kW/l), co przełoży się na zwiększenie zasięgu pojazdu o 20%. Tym samym szacuje się, że samochód ciężarowy wyposażony w nową generację ogniw paliwowych będzie w stanie pokonać np. trasę z Frankfurtu do Monachium lub Tokio do Osaki bez tankowania wodoru (około 500 km). 

Poprzez zmniejszenie liczby ogniw technologia stanie się bardziej dostępna dla szerszej grupy odbiorców. Ponadto Toyota szacuje, że koszty utrzymania samochodu ciężarowego wyposażonego w kolejną generację ogniw paliwowych będą zdecydowanie niższe niż w przypadku pojazdów z silnikami Diesla ze względu na 2,5-krotnie dłuższy interwał serwisowy. Nowa generacja ogniw paliwowych umożliwi także bardziej elastyczną produkcję. Na jednej linii będą mogły powstawać różne typy ogniw, w zależności od ich przeznaczenia. Toyota pracuje zarówno nad zbiornikami na wodór sprężony jak i na ciekły wodór, które będą wykorzystywane w dużych ciężarówkach. Zastosowanie ciekłego wodoru pozwala wykorzystywać zbiorniki o mniejszych rozmiarach. Trwają też prace nad zbiornikami na wodór o mniejszych rozmiarach i kształtach, które będą łatwe w instalacji oraz kompatybilne z wieloma typami pojazdów. Toyota chce w ten sposób umożliwić konwersję istniejących pojazdów tak, by mogły wykorzystywać elektryczne napędy z wodorowymi ogniwami paliwowymi lub spalinowe silniki wodorowe.

Jeszcze w tym roku na drogi wyjadą wodorowe ciężarówki. Toyota Motor Europe (TME) we współpracy z holenderską firmą VDL Groep (VDL) wprowadzi na europejski rynek bezemisyjne samochody ciężarowe napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi Toyoty. Pierwsze egzemplarze pojawią się na drogach jesienią 2023 roku i będą wykorzystywane przez logistycznych partnerów TME. Mniejsza masa systemów wodorowych pozwala na zabranie większego ładunku, a szybkie uzupełnienie paliwa ma kluczowe znaczenie w transporcie. Tankowanie ciężarówki na wodorowe ogniwa paliwowe zajmuje tyle samo czasu co pojazdu z silnikiem Diesla. 

Ile kosztuje wodór?

Do 2030 roku czysty wodór w Niemczech ma kosztować kosztował od 3,9 do 5 euro. Ostatnie badania wykazały, że obecny koszt wodoru z zielonej energii w Europie Północnej mieści się w przybliżonym przedziale 6-8 euro. Z kolei obecny koszt wodoru w Niemczech wynosi 12,85 euro za kg, odkąd niemiecka sieć H2 Mobility podniosła w czerwcu 2023 r. ceny. Po uwzględnieniu różnic w stawkach VAT oznaczałoby w Polsce 53,5 zł za kilogram H2 (VAT = 8 procent) lub 61 zł/kg (VAT = 23 procent). 1 kg wodoru wystarcza średnio na pokonanie 100 km samochodem wyposażonym w wodorowe ogniwa paliwowe. Wodór wytwarza się dziś przede wszystkim z gazu ziemnego (reforming parowy) i węgla. Wzrost ceny wynika z zawirowań na rynku surowców związanych m.in. z wojną na Ukrainie.