Dzisiaj świat ściga się w kierunku przyszłości zrównoważonej energii. Chociaż ostateczny zwycięzca jest nieznany, wodór wyłonił się jako wyraźny faworyt, zapewniając liczne możliwości produkcji, dystrybucji i zastosowania energii. Aby rozwiązać zagadkę tytułowych zalet ogniw paliwowych, zacznijmy od tego, czym są ogniwa paliwowe i jakie są ich typy, a następnie odkryjemy wszystko o ich zaletach i wadach.
Ogniwa paliwowe istnieją od ponad 150 lat i stanowią nieskończone, ekologicznie bezpieczne i stale dostępne źródło energii. Dlaczego więc nie są jeszcze wszędzie stosowane? Do niedawna powodem był koszt. Produkcja ogniw była niebotycznie droga. Teraz już tak nie jest.
Czym jest ogniwo paliwowe?
Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które przekształca energię chemiczną w użyteczny prąd elektryczny . Każde ogniwo paliwowe ma dwie elektrody, zwane anodą i katodą. To właśnie na elektrodach zachodzą reakcje generujące prąd elektryczny.
Każde ogniwo paliwowe zawiera również elektrolit, który transportuje naładowane elektrycznie cząstki z jednej elektrody na drugą, a także katalizator, który przyspiesza reakcje na elektrodach. Chociaż wodór jest najbardziej podstawowym paliwem, ogniwa paliwowe wymagają również tlenu. Jedną z najbardziej atrakcyjnych cech ogniw paliwowych jest to, że wytwarzają one bardzo mało zanieczyszczeń – większość wodoru i tlenu potrzebnych do wytworzenia energii ostatecznie miesza się, tworząc nieszkodliwy produkt uboczny, głównie wodę.
Pojedyncze ogniwo paliwowe wytwarza pomijalną ilość prądu stałego (DC). W praktyce wiele ogniw paliwowych jest często układanych w stosy. Koncepcje są takie same, niezależnie od tego, czy chodzi o ogniwo, czy o stos. Następnie przyjrzyjmy się zaletom i wadom ogniw paliwowych.
4 zalety i wady ogniw paliwowych
Sir William Robert Grove, walijski sędzia, wynalazca i naukowiec, wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 roku. Wytworzył energię elektryczną i wodę, łącząc wodór i tlen w obecności elektrolitu. Innowacja, później znana jako ogniwo paliwowe, nie generowała wystarczającej ilości energii elektrycznej, aby być użyteczna. Przyjrzyjmy się zatem zaletom i wadom ogniw paliwowych.
Zalety
1. Nie wymaga ładowania
Ogniwo paliwowe nie musi być ładowane. Ogniwo paliwowe może replikować energię, dopóki nie zostanie zaopatrzone w paliwo.
2. Brak problemów zdrowotnych
Ogniwa paliwowe nie są niebezpieczne i nie powodują problemów zdrowotnych, ponieważ podczas pracy nie wytwarzają dymu ani smogu.
3. Wydajny
Ogniwa paliwowe są niezwykle wydajne, ponieważ mogą przekształcać energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną. W porównaniu do innych dostępnych na rynku alternatyw, ogniwa paliwowe są o 60% bardziej wydajne.
4. Bez zanieczyszczeń
Ogniwa paliwowe nie mają negatywnego wpływu na zanieczyszczenie powietrza. Jest to jedna z najbardziej zauważalnych zalet wśród innych zalet ogniw paliwowych. Ponieważ ogniwo paliwowe nie ma żadnych części mechanicznych, jest całkowicie ciche, a zatem nie powoduje hałasu.
Jeżeli jako paliwo wejściowe stosuje się wodór, jedynymi zauważalnymi produktami ubocznymi są woda, ciepło i energia elektryczna, co zapewnia maksymalną wydajność i brak emisji szkodliwych materiałów.
Wady
1. Drogie i nietrwałe
Podobnie jak zalety ogniw paliwowych, mają one również wady. Na przykład są dość drogie z natury. Ogniwa paliwowe mają krótszą żywotność.
2. Trudne do przechowywania
Ogniwa paliwowe są trudne do przechowywania, ponieważ paliwo wykorzystywane w ogniwach musi być utrzymywane w określonej temperaturze i ciśnieniu.
3. Niebezpieczne i niebezpieczne
Wodór jest bardzo łatwopalnym paliwem, co stwarza oczywiste problemy bezpieczeństwa. W powietrzu gaz wodorowy pali się w stężeniach od 4 do 75%.
4. Trudne do wydobycia
Pomimo tego, że jest najliczniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie, wodór nie istnieje sam w sobie, dlatego musi być zbierany z wody przez elektrolizę lub izolowany z paliw kopalnych na bazie węgla. Oba te podejścia wymagają znacznej ilości energii, aby je ukończyć.
Energia ta może być droższa niż ta uzyskana z samego wodoru. Ponadto, w przypadku braku CCS, ta ekstrakcja często wymaga użycia paliw kopalnych, co podważa ekologiczne referencje wodoru.
Jakie są rodzaje ogniw paliwowych?
Po zapoznaniu się z zaletami i wadami ogniw paliwowych, przyjrzyjmy się również ich różnym rodzajom. Podstawową różnicą między ogniwami paliwowymi jest rodzaj zastosowanego elektrolitu . Klasyfikacja ta definiuje typ:
- Procesy elektrochemiczne zachodzące w komórce
- Rodzaj potrzebnych katalizatorów
- Zakres temperatur, w którym działa komórka
- Wymagane paliwo i inne kryteria.
Te właściwości z kolei wpływają na zastosowania, do których te ogniwa są najbardziej odpowiednie. Obecnie opracowywanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, z których każde ma swój własny zestaw zalet, ograniczeń i możliwych zastosowań. Dowiedz się więcej o typach ogniw paliwowych poniżej.
1. Ogniwa paliwowe z membraną elektrolityczną
Ogniwa paliwowe z membraną polimerowo-elektrolitową (PEM), znane również jako ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów, charakteryzują się wysoką gęstością mocy oraz niską masą i objętością w porównaniu z konwencjonalnymi ogniwami paliwowymi. Elektrolit w ogniwach paliwowych PEM to stały polimer , a elektrody to porowaty węgiel z katalizatorem platynowym lub ze stopu platyny. Do działania wymagają jedynie wodoru, tlenu z powietrza i wody. Zazwyczaj są zasilane czystym wodorem dostarczanym ze zbiorników magazynowych lub reformerów.
Ogniwa paliwowe PEM pracują w niskich temperaturach , zazwyczaj około 80°C (176°F). Praca w niskiej temperaturze umożliwia ich szybki rozruch (z krótszym czasem nagrzewania) i przekłada się na mniejsze zużycie podzespołów systemu, co przekłada się na większą trwałość. Wymaga to jednak zastosowania katalizatora z metalu szlachetnego (zazwyczaj platyny) do separacji elektronów i protonów wodoru, co podnosi koszt systemu. Ponieważ katalizator platynowy jest szczególnie wrażliwy na zatrucie tlenkiem węgla, wymagany jest dodatkowy reaktor do usuwania tlenku węgla z paliwa gazowego, jeśli wodór jest produkowany z paliwa węglowodorowego. Reaktor ten jest również drogi.
Ogniwa paliwowe PEM są wykorzystywane głównie w transporcie i niektórych zastosowaniach stacjonarnych. Ogniwa paliwowe PEM są szczególnie odpowiednie do zastosowań w motoryzacji, takich jak samochody osobowe, autobusy i ciężarówki.
2. Ogniwa do bezpośredniego paliwa metanolowego
Większość ogniw paliwowych jest zasilana wodorem, który może być dostarczany bezpośrednio do systemu lub wytwarzany w nim poprzez reforming paliw bogatych w wodór, takich jak metanol, etanol i paliwa węglowodorowe. Natomiast ogniwa paliwowe z bezpośrednim zasilaniem metanolem (DMFC) są zasilane czystym metanolem , który zazwyczaj miesza się z wodą i dostarcza bezpośrednio do anody ogniwa paliwowego.
Ponieważ metanol ma wyższą gęstość energetyczną niż wodór, ale niższą niż benzyna czy olej napędowy, ogniwa paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem pozwalają uniknąć wielu problemów z magazynowaniem paliwa, które występują w niektórych systemach ogniw paliwowych. Ponieważ metanol jest cieczą, podobnie jak benzyna, jest łatwiejszy w transporcie i dostawie do odbiorców z wykorzystaniem naszej obecnej infrastruktury. Konwertery DMFC są często wykorzystywane do zasilania przenośnych ogniw paliwowych, takich jak telefony komórkowe i laptopy.
3. Ogniwa na paliwo alkaliczne
Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC) były jednymi z pierwszych wynalezionych technologii ogniw paliwowych i pierwszym typem ogniw szeroko stosowanym w amerykańskim programie kosmicznym do generowania energii elektrycznej i wody na pokładach statków kosmicznych. Elektrolit w tych ogniwach paliwowych to wodny roztwór wodorotlenku potasu , a anoda i katoda mogą być wykonane z różnych metali nieszlachetnych.
Jednym z istotnych wyzwań dla tego typu ogniw paliwowych jest podatność na zatrucie dwutlenkiem węgla (CO2). W rzeczywistości nawet śladowe ilości CO2 w powietrzu mogą mieć znaczący wpływ na wydajność i trwałość ogniwa ze względu na produkcję węglanów. Ogniwa alkaliczne z ciekłymi elektrolitami mogą pracować w trybie recyrkulacji, co pozwala na regenerację elektrolitu i pomaga zmniejszyć wpływ produkcji węglanów w elektrolicie, ale jednocześnie wprowadza i utrudnia przepływ prądu.
Dodatkowe problemy związane z systemami z ciekłym elektrolitem obejmują zwilżalność, zwiększoną korozję i trudności z kontrolą ciśnienia różnicowego. Problemy te rozwiązują alkaliczne ogniwa paliwowe membranowe (AMFC), które są mniej podatne na zatrucie CO2 niż ogniwa AFC z ciekłym elektrolitem. Jednak CO2 nadal ma wpływ na wydajność, a wydajność i trwałość ogniw AMFC są niższe niż ogniw PEMFC.
Konwertery AMFC są badane pod kątem zastosowań o mocy od W do kW. Tolerancja na dwutlenek węgla, przewodność i trwałość membrany, praca w wyższych temperaturach, gospodarka wodna, gęstość mocy oraz elektrokataliza anodowa stanowią wyzwania dla konwerterów AMFC.
4. Komórki kwasu fosforowego
W ogniwach PAFC elektrolitem jest ciekły kwas fosforowy (kwas jest utrzymywany w matrycy z węglika krzemu połączonej teflonem) oraz porowate elektrody węglowe z katalizatorem platynowym. Diagram po prawej stronie przedstawia reakcje elektrochemiczne zachodzące w ogniwie.
Ogniwo paliwowe PAFC jest uważane za współczesne ogniwo paliwowe „pierwszej generacji”. Jest to jeden z najbardziej rozwiniętych rodzajów ogniw i pierwszy, który został wprowadzony na rynek. Chociaż ten typ ogniw paliwowych jest zazwyczaj używany do stacjonarnego wytwarzania energii, niektóre ogniwa PAFC były wykorzystywane do zasilania dużych pojazdów, takich jak autobusy miejskie.
Ogniwa paliwowe PAFC są bardziej odporne na zanieczyszczenia zawarte w paliwach kopalnych poddanych reformingowi niż ogniwa PEM, które łatwo ulegają „zatruciu” tlenkiem węgla, ponieważ tlenek węgla wiąże się z platynowym katalizatorem na anodzie, zmniejszając wydajność ogniwa paliwowego. Ogniwa paliwowe PAFC osiągają sprawność ponad 85%, gdy są wykorzystywane do wytwarzania zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła, ale są mniej wydajne, gdy są wykorzystywane wyłącznie do wytwarzania energii elektrycznej (37%–42%).
Sprawność ogniw paliwowych PAFC jest tylko nieznacznie wyższa niż elektrowni spalinowych, które zazwyczaj pracują z wydajnością około 33%. Przy tej samej masie i objętości, ogniwa PAFC są również mniej wydajne niż inne ogniwa paliwowe. Z tego powodu ogniwa te są zazwyczaj duże i ciężkie. Ogniwa PAC są również kosztowne. Wymagają one znacznie większych ilości katalizatora platynowego niż inne rodzaje ogniw paliwowych, co podnosi ich koszt.
5. Ogniwa paliwowe do stopionego węglanu
Ogniwa paliwowe na bazie stopionego węgla (MCFC) są opracowywane dla elektrowni gazowych i węglowych, a także dla zakładów energetycznych, przemysłu i wojska. MCFC to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe, w których elektrolit składa się ze stopionych soli węglanowych unoszących się w porowatej, chemicznie obojętnej ceramicznej matrycy z tlenku litowo-glinu. Metale nieszlachetne mogą być stosowane jako katalizatory na anodzie i katodzie, ponieważ pracują w wysokich temperaturach 650°C (około 1,200°F).
Innym powodem, dla którego ogniwa paliwowe MCFC oferują znaczne oszczędności w porównaniu z ogniwami paliwowymi na kwas fosforowy, jest ich wyższa sprawność . W połączeniu z turbiną, ogniwa paliwowe na stopiony węglan mogą osiągnąć sprawność zbliżoną do 65%, co jest znacznie więcej niż sprawność ogniwa paliwowego na kwas fosforowy, która wynosi 37–42%. Całkowita sprawność paliwowa może przekroczyć 85% po odzyskaniu i wykorzystaniu ciepła odpadowego.
Konwertery MCFC nie wymagają zewnętrznego reformera do konwersji gazu ziemnego i biogazu na wodór. Ponieważ ogniwa MCFC pracują w wysokich temperaturach, metan i inne lekkie węglowodory zawarte w tych paliwach są przekształcane w wodór w samym ogniwie paliwowym w procesie znanym jako reforming wewnętrzny, co również pozwala zaoszczędzić pieniądze.
Podstawową wadą istniejącej technologii ogniw paliwowych MCFC jest jej krótka żywotność . Wysokie temperatury pracy tych ogniw, w połączeniu z żrącym elektrolitem, przyspieszają awarię komponentów i korozję, skracając ich żywotność. Naukowcy badają obecnie materiały odporne na korozję do produkcji komponentów, a także projekty ogniw paliwowych, które mogłyby podwoić żywotność ogniwa z obecnych 40 000 godzin (pięć lat) bez pogorszenia wydajności.
6. Ogniwa na paliwo stałe tlenkowe
W ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC) elektrolit jest gęstą, nieporowatą ceramiką . SOFC przetwarzają paliwo na energię elektryczną z wydajnością około 60%. Całkowita sprawność wykorzystania paliwa może przekroczyć 85% w systemach przeznaczonych do wychwytywania i wykorzystywania ciepła odpadowego (kogeneracja).
Ogniwa SOFC pracują w ekstremalnie wysokich temperaturach , sięgających 1,000°C (1,830°F). Praca w wysokiej temperaturze eliminuje konieczność stosowania katalizatora z metali szlachetnych, co obniża koszty. Umożliwia to również ogniwom SOFC wewnętrzną reformę paliw, co pozwala na stosowanie szerszego zakresu paliw i obniża koszty związane z dodaniem reformera do systemu.
SOFC są również najbardziej odpornym na siarkę rodzajem ogniw paliwowych, zdolnym wytrzymać rzędy wielkości więcej siarki niż inne typy ogniw. Ponadto nie są one szkodliwe dla tlenku węgla, który może być nawet używany jako paliwo. Ta cecha umożliwia SOFC wykorzystywanie gazu ziemnego, biogazu i gazów pochodzących z węgla. Istnieją wady pracy w wysokich temperaturach.
Powoduje to opóźniony rozruch i wymaga stosowania rozbudowanych osłon termicznych w celu utrzymania ciepła i ochrony pracowników, co jest odpowiednie w zastosowaniach użytkowych, ale nie w transporcie. Ze względu na wysokie temperatury pracy , materiały muszą spełniać surowe normy trwałości. Głównym problemem technicznym tej technologii jest opracowanie tanich materiałów o wysokiej wytrzymałości w temperaturach pracy ogniw.
Naukowcy badają obecnie możliwość budowy ogniw SOFC o niższej temperaturze, które działają w temperaturze 700°C lub niższej, mają mniej problemów z trwałością i są tańsze. Ogniwa SOFC o niższej temperaturze nie dorównały jeszcze wydajności systemów o wyższej temperaturze, a materiały do układania w stosy dla tego niższego zakresu temperatur są nadal opracowywane.
7. Odwracalne ogniwa paliwowe
Odwracalne ogniwa paliwowe, podobnie jak konwencjonalne ogniwa paliwowe, wytwarzają energię elektryczną z wodoru i tlenu, a jednocześnie wytwarzają ciepło i wodę jako produkty uboczne. Z kolei odwracalne systemy ogniw paliwowych mogą wykorzystywać energię elektryczną ze słońca, wiatru lub innych źródeł do rozkładu wody na tlen i wodór w procesie znanym jako elektroliza.
Odwracalne ogniwa paliwowe mogą wytwarzać energię elektryczną w razie potrzeby, ale w okresach wysokiej mocy generowanej przez inne technologie (na przykład, gdy silne wiatry powodują nadmiar dostępnej energii wiatrowej), odwracalne ogniwa paliwowe mogą magazynować nadmiar energii w postaci wodoru. Ta możliwość magazynowania energii ma potencjał, aby zrewolucjonizować technologię nieciągłej energii odnawialnej. Następnie zapoznajmy się z zasadą działania ogniw paliwowych.
Zobacz także: 3 najlepsze akcje spółek z branży zielonej energii w Indiach
Jaka jest zasada działania ogniw paliwowych?
Po zapoznaniu się z zaletami ogniw paliwowych, warto również poznać zasadę ich działania. Ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod – anody i katody – rozdzielonych membraną elektrolityczną. W ogniwie paliwowym do wytwarzania energii elektrycznej można wykorzystać wodór, metan, etan, etanol i inne paliwa organiczne. Paliwa te ulegają niepełnemu spalaniu, a produktem ubocznym jest ciepło. Większość tych reakcji ma charakter redoks, a produktami ubocznymi są woda i dwutlenek węgla.
Transport elektronów w reakcjach redoks powoduje konwersję energii chemicznej na energię elektryczną. Pomiędzy elektrodami znajduje się substancja elektrolityczna. Paliwo jest dostarczane do każdej elektrody oddzielnie. Załóżmy, że w ogniwie paliwowym wodór jest dostarczany do anody, a powietrze jest podawane do katody. W tym przypadku katalizator po stronie anody ogniwa ma tendencję do rozkładania cząsteczek wodoru na mniejsze cząstki, takie jak protony i elektrony.
Oba elementy próbują dotrzeć do katody różnymi drogami. Elektrony podążają zewnętrznym kanałem do katody, dostarczając prąd, podczas gdy protony przechodzą przez membranę elektrolitu do katody, gdzie reagują z cząsteczkami tlenu i elektronami, tworząc wodę i ciepło jako produkty uboczne.
Przeczytaj także: Ponad 30 najlepszych firm zajmujących się energią odnawialną w Indiach
Wymień niektóre zastosowania ogniw paliwowych
Przyjrzyjmy się dziesięciu zastosowaniom ogniw paliwowych wodorowych, o niektórych możesz nie wiedzieć!
1. Zarządzanie magazynowaniem: Wiele dużych przedsiębiorstw zajmujących się magazynowaniem i dystrybucją decyduje się na wykorzystanie ogniw paliwowych wodorowych do zasilania czystych ciężarówek, wózków widłowych, wózków paletowych i innego sprzętu.
2. Dystrybucja międzynarodowa: Ogniwa paliwowe zapewniają zasięg i moc potrzebną do transportu dalekobieżnego i dystrybucji lokalnej. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth i UPS już produkują ciężarówki i furgonetki napędzane wodorem.
3. Autobusy: Energia wodorowa jest badana pod kątem wykorzystania w różnych rodzajach transportu publicznego, w tym w autobusach z ogniwami paliwowymi na wodór. Kilka dużych miast, w tym Chicago, Vancouver, Londyn i Pekin, eksperymentowało z autobusami napędzanymi wodorem.
4. Pociągi: Pociągi napędzane ogniwami paliwowymi wodorowymi dotarły już do Niemiec, a w ciągu najbliższych pięciu lat przewiduje się, że kolejne typy pociągów dotrą do Wielkiej Brytanii, Francji, Włoch, Japonii, Korei Południowej i Stanów Zjednoczonych.
5. Pojazdy indywidualne: Dziewięciu głównych producentów samochodów pracuje nad pojazdami elektrycznymi z ogniwami paliwowymi wodorowymi (HFCEV) do użytku osobistego. Do najpopularniejszych modeli należą Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo i BMW I Hydrogen Next.
6. Samoloty: Kilka projektów eksperymentalnych, w tym prototypy Pathfinder i Helios, badało zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych w lotnictwie i kosmonautyce. Te dalekosiężne bezzałogowe statki powietrzne wykorzystywały hybrydowy system z wodorowymi ogniwami paliwowymi zasilanymi przez panele słoneczne, umożliwiając teoretycznie nieograniczony, ciągły lot w dzień i w nocy.
7. Generowanie energii awaryjnej: Stacjonarne ogniwa paliwowe są wykorzystywane w systemach zasilania bezprzerwowego (UPS), gdzie ważna jest ciągła dostępność. Szpitale i centra danych coraz częściej sięgają po wodór w celu zapewnienia nieprzerwanego zasilania. Firma Microsoft niedawno ogłosiła udany test swoich nowych generatorów wodoru, który pozwolił serwerowi jednego z centrów danych pracować wyłącznie na wodorze przez dwa dni.
8. Generowanie energii mobilnej: Wodór oferuje wiele możliwości mobilnego generowania energii. NASA wyprodukowała jedne z pierwszych ogniw paliwowych wodorowych do zasilania rakiet i wahadłowców kosmicznych w kosmosie.
9. Bezzałogowe statki powietrzne (BSP): Wiele innowacyjnych zastosowań BSP (tj. dronów), od dostarczania przesyłek po misje poszukiwawczo-ratownicze, jest poważnie utrudnionych przez moc i zasięg standardowych akumulatorów. Zarówno wojsko, jak i firmy prywatne zamierzają rozwiązać te problemy, stosując ogniwa paliwowe wodorowe, które mają nawet trzykrotnie większy zasięg niż urządzenia zasilane bateryjnie. Ogniwa paliwowe zapewniają lepszy stosunek energii do masy i można je naładować w ciągu kilku minut.
10. Łodzie i okręty podwodne: Ogniwa paliwowe wodorowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach morskich. Niektóre łodzie, takie jak Energy Observer, wytwarzają nawet własny wodór do systemu ogniw paliwowych, wykorzystując pokładowe panele słoneczne i turbiny wiatrowe. Ogniwa paliwowe wodorowe stanowią alternatywę dla energii jądrowej w wojskowych okrętach podwodnych stealth, takich jak niemiecki typ 212, zapewniając duży zasięg, cichą pracę i niską emisję ciepła.
Ogniwa paliwowe są obiecującym zamiennikiem dzisiejszych paliw samochodowych. Chociaż niektóre części technologii, takie jak efektywne magazynowanie na pokładzie, wymagają większego rozwoju, nie ma powodu, dla którego ogniwa paliwowe nie mogłyby stać się tak wygodnym i atrakcyjnym paliwem transportowym, jak obecnie olej napędowy lub benzyna. Mam nadzieję, że dzięki temu artykułowi łatwo było zrozumieć zalety i wady ogniw paliwowych. Podziel się swoimi pytaniami w sekcji komentarzy.
Polecane: Zalety i wady energii pływów
