Ogniwa paliwowe to jedna z wielu alternatywnych technologii wytwarzania energii elektrycznej. Ostatnie lata pokazują jej gwałtowny rozwój. Zainteresowanie takim sposobem pozyskiwania energii powiązane jest z możliwością uzyskania jednego z najwyższych wskaźników uzysku mocy z jednostkowej objętości paliwa, przy wysokiej sprawności i jednoczesnym braku szkodliwych emisji.

Reklama

Energia elektryczna jest bezpośrednio produkowana w ogniwach paliwowych dzięki energii chemicznej paliwa i utleniacza. Dzięki temu, że generują one prąd bez potrzeby zachodzenia procesu spalania (paliwa ani utleniacza). Nie występuje emisja szkodliwych związków, tj. tlenki azotu, siarki, węgla czy węglowodory. Najczęściej jako paliwo wykorzystuje się wodór , natomiast jako utleniacz stosowany jest tlen. Dostarcza się go do urządzenia w postaci czystej albo razem z powietrzem atmosferycznym. Oprócz wodoru można stosować także biopaliwa, gaz ziemny, alkohol, węgiel oraz wiele innych paliw. Nad możliwością wykorzystania niektórych nadal trwają badania, mające na celu uniezależnienie się społeczeństwa częściowo lub całkowicie od paliw kopalnych.

O popularności wodoru decyduje jego wysoka reaktywność w obecności odpowiednich katalizatorów, możliwość wyprodukowania go z węglowodorów oraz wysoka gęstość energii kiedy zgromadzony jest w postaci płynnej pod wysokim ciśnieniem w niskiej temperaturze. Trudność w wykorzystaniu polega jednak na tym, że w przyrodzie występuje on głównie w postaci związanej, przeważnie jako woda. Proces elektrolizy pochłania duże ilości energii, by móc pozyskać wodór z wody, dlatego obecnie poszukuje się jego innych źródeł. Kolejna przeszkoda to jego magazynowanie – jako gaz wymaga on uprzedniego sprężenia lub skroplenia. Procesy te również wymagają sporych nakładów energetycznych. Jednak dzięki rozwojowi odnawialnych źródeł, szczególnie elektrowni słonecznych i wiatrowych można pozyskać wodór i inne paliwa wysokowodorowe będące paliwem dla ogniw paliwowych . wykorzystywane w tym celu są również źródła biologiczne: np. bakterie z rodzaju clostridium uzyskujące wodór z odpadów biologicznych.

Zasada działania ogniw paliwowych jest analogiczna jak w ogniwach galwanicznych, czyli bateriach. Jednak w przeciwieństwie do nich, tutaj paliwo i utleniacz dostarczane są z zewnątrz. Dzięki temu nie mają tak ograniczonego czasu stosowania jak tradycyjne baterie. Ogniwo paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody odseparowane są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub jako ciało stałe. Wodór (w stanie czystym lub jako składnik powietrza) doprowadza się w sposób ciągły do anody, natomiast tlen (w stanie czystym lub jako składnik powietrza) jest doprowadzany, również w sposób ciągły, do katody. Konieczny jest ponadto swobodny przepływ jonów pomiędzy elektrodami. W ogniwach paliwowych elektrony docierają do katody z pominięciem elektrolitu, poprzez zewnętrzny obwód elektryczny, dzięki czemu ogniwo staje się źródłem siły elektromotorycznej. Wspomniany elektrolit jest natomiast odpowiedzialny za transport jonów pomiędzy elektrodami. Z tego względu musi on być dobrym przewodnikiem jonów i jednocześnie jak najsłabszym przewodnikiem elektronów. Gdyby elektrolit nie spełniał choć jednego za wymagań, całe ogniwo nie mogłoby prawidłowo funkcjonować. Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło. Na długość życia ogniwa paliwowego wpływa degradacja lub niesprawność komponentów.

Do zalet ogniw paliwowych należy wysoka sprawność przetwarzania energii chemicznej na elektryczną, niski poziom hałasu oraz niewielka emisja szkodliwych substancji (SO2, NOx, itp.). Produkty uboczne powstające w wyniku pracy urządzeń (woda, dwutlenek węgla i azot) są nieszkodliwe. Ponadto zaleta jest prostota układu przetwarzania energii chemicznej na elektryczną, gdyż ogniwo paliwowe produkuje energię elektryczną bezpośrednio z paliw węglowodorowych. Dodatkowo na korzyść takich urządzeń wpływa dowolność ich lokalizowania, szybkość budowy oraz łatwość rozbudowy. Mogą one pracować bez przerwy (o ile tylko doprowadzane jest paliwo i utleniacz), następuje samoczynne dobieranie ilości paliwa i utleniacza. Istnieje również możliwość dużych przeciążeń chwilowych oraz pracy z niskimi obciążeniami. Główne wady takich urządzeń to m.in.: drogie materiały na katalizatory, stosunkowo niewielkie uzyskiwane moce, niskie napięcie prądu z pojedynczego urządzenia oraz produkcja prądu stałego.

Podsumowując, ogniwa paliwowe są technologią nowoczesną, która w dalszym ciągu jest rozwijana, głównie w kwestii magazynowania wodoru. Proces generowania energii elektrycznej odbywa się bez emisji toksycznych składników spalin i przy bardzo wysokiej sprawności wykorzystania energii paliwa. Eksperci przewidują, że technologia ta ma ogromne perspektywy by zastąpić tradycyjne sposoby produkcji energii, stać się konkurencyjne dla ropy naftowej i węgla. Argumenty jakie za tym przemawiają to fakt, że elektrownię wykorzystującą takie ogniwa można zlokalizować praktycznie w dowolnym miejscu na ziemi oraz to, że są one w stanie pracować z podobną sprawnością będąc zasilane wodorem, biopaliwami, gazem ziemnym, alkoholem, węglem, czy innymi paliwami. Ponadto układy ogniw paliwowych są powszechnie uznawane za najbardziej obiecującą koncepcję alternatywnego napędu przyszłości, przede wszystkim ze względu na jego ekologiczny charakter.