Ogniwo wodorowe

Ogniwo paliwowe to ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa. Jedynym ograniczeniem ilości energii, którą może wytworzyć ogniwo paliwowe jest pojemność zbiornika na paliwo. W ogniwach galwanicznych (akumulatory, baterie) energia wytarzanego prądu musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń, co znacznie ogranicza czas ich pracy. Ładowanie ogniwa paliwowego nie jest konieczne. Wystarczy tylko dolać kolejną porcję paliwa. W przypadku ogniw galwanicznych ładowanie może być procesem trwającym wiele godzin.
Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie. Są to ogniwa wodorowe. Proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów. W ogniwach galwanicznych wytwarzanie prądu opiera się na szeregu reakcji chemicznych, które doprowadzają do zmiany składu elektrolitów lub elektrod. Aby odwrócić ten proces konieczne jest długotrwałe ładowanie
Ogromną zaletą ogniw wodorowych jest bardzo niewielkie zanieczyszczenie powietrza, które one powodują. Powstające w nich spaliny składają się wyłącznie z niegroźnej dla środowiska pary wodnej. Silniki spalinowe oprócz pary wodnej wytwarzają też ditlenek węgla, czad, ozon, tlenki siarki, azotu i ołowiu oraz szereg innych toksycznych substancji. Zastosowanie ogniw paliwowych w samochodach może uchronić miasta przed smogiem i naszą planetę przed efektem cieplarnianym.
Najważniejsze zastosowania ogniw paliwowych:

energetyka,
systemy zasilania awaryjnego,
dostarczanie energii 2 mld ludzi pozbawionych dostępu do sieci energetycznej,
urządzenia mobilne – telefony komórkowe, urządzenia PDA, notebooki,
samochody na wodór,
roboty mobilne – autonomiczne roboty wykonujące prace serwisowe (sprzątanie) lub transportowe.

Rodzaje ogniw paliwowych

Istnieje szereg rodzajów ogniw paliwowych:

ogniwo z membraną do wymiany protonów (ang. Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC),
odwracalne ogniwo paliwowe (ang. Reversible Fuel Cell),
bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang. Direct-methanol fuel cell),
ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (ang. Solid-oxide fuel cells),
ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami (ang. Molten-carbonate fuel cells),
ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel cells),
alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline fuel cells).

Podstawy naukowe

Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, tak więc ich sprawność jest ograniczona podobnie jak dla silników cieplnych (cykl Carnota). Konstrukcja ogniw zapewnia im dużo większą sprawność w przetwarzaniu energii chemicznej na elektryczną niż w silnikach spalinowych.
Podstawowym rodzajem ogniw są te wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów (elektrolit polimerowy). Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji.
Wodór dyfunduje do anody, gdzie zachodzi dysocjacja w wyniku czego powstają jony protonowe H⁺ oraz elektrony e:

\[2H_2 \to 4H^+ + 4e \]

Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń.
Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O^-2:

\[O_2 + 4e \to 2O^{-2}, \]

a potem jony wodorowe H⁺ są zobojętnianie zjonizowanym tlenem:

\[2O^{-2}+ 4H^+ \to 2H_2O. \]

Końcowy produktu to H₂O czyli woda w postaci ciekłej lub para.
Istnieją odmiany ogniw paliwowych, w których źródłem energii nie jest wodór w postaci gazowej. Gaz ten jest produkowany w ogniwie na skutek spalania związków chemicznych bogatych w wodór, jak metan czy metanol. Wodór zgromadzony w postaci związanej jest łatwiejszy do transportu – zajmuje mniejszą objętość i musi być skraplany w tak niskiej temperaturze. Jednak sprawność takich ogniw jest mniejsza i często oprócz pary wodnej produkują one ditlenek węgla. Niemniej są i tak czystsze oraz bardziej wydajne od tradycyjnych silników spalinowych.
W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje. Są jednak urządzenia, w których łączy się baterie słoneczne produkujące wodór przez elektrolizę z ogniwem paliwowym. W takim układzie wodór jest produkowany w ciągu dnia z energii słonecznej, a w nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego procesu (prąd → wodór → prąd) jest rzędu od 30 do 40%.
Podobne rozwiązanie może zostać zastosowane w elektrowni wiatrowej. Kiedy wieje silny wiatru nadmiar energii magazynowany jak w postaci wodoru. Kiedy wiatr cichnie niedobór prądu pokrywa produkcja energii w ogniwie paliwowym. Spekuluje się na temat możliwości budowy systemu rurociągów transportujących zmagazynowany w wodorze nadmiar energii do jej odbiorców.

Historia

Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku 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. Ogniwa te nie znalazły jednak praktycznego zastosowania aż do lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy to Stany Zjednoczone wykorzystały je jako źródło elektryczności i wody w swoim programie kosmicznym.
Do produkcji ogniw paliwowych stosowano wówczas niezwykle drogie materiały, a do ich działania były potrzebne bardzo wysokie temperatury oraz tlen i wodór o niskim poziomie zanieczyszczenia. Koszt ich wytworzenia sięgał wówczas 100 000 dolarów za kilowat, jednak zdecydowano się na ich użycie, gdyż wodór i tlen wykorzystywano jako paliwo i dzięki temu na statkach kosmicznych były dostępne w dużych ilościach.
Dalszy rozwój technologiczny w latach osiemdziesiątych i dziewiędziesiątych (między innymi wykorzystanie Nafionu jako elektrolitu oraz zmniejszenie ilości platyny koniecznej do produkcji ogniw) umożliwił zastosowanie ogniw paliwowych do celów komercyjnych.

Wpływ na środowisko

Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody uzyskiwania stosowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być używane jako pierwotne źródło energii, lecz konieczne jest wytwarzanie stosowanego w nich wodoru. Chociaż wytwarzanie wodoru w prodcesie elektrolizy ma dość dużą wydajność, to w połączeniu z tym, że przy stosowaniu w motoryzacji konieczne jest przechowywanie wodoru pod dużymi ciśnieniami to całkowita wydajność ogniw może spaść poniżej pozimu najwydajniejuszych z silników spalinowych.
Inną metodą uzyskiwania wodoru jest wytwarzanie go z metanu, który to proces ma wydajność około 80%. Produktem ubocznym tego procesu jest dwutlenek węgla, jednak szkodliwość dla środowiska jest ograniczona, gdyż w przeciwieństwie do silników spalinowych dwutlenek węgla nie jest emitowany do atmosfery przez każdy pojazd, lecz powstaje w miejscu wytwarzania wodoru, dzięki czemu można go wykorzystać.