Artykuły

Streszczenie:
W obliczu globalnych wyzwań związanych z klimatem, zapotrzebowaniem na energię i redukcją emisji, ogniwa paliwowe są kluczowym elementem przyszłych systemów energetycznych. Dlatego tak ważne jest, by stale monitorować i optymalizować ich pracę. W artykule omówiono trzy kluczowe charakterystyki ogniw paliwowych: prądowo-napięciową, krzywą mocy oraz charakterystykę zużycia wodoru. Do pomocy w analizie pracy ogniw może zostać wykorzystany system Hybrid Energy Lab System firmy Heliocentris. Umożliwia on dokładne badanie ogniw poprzez wyznaczanie ich charakterystyk. Dodatkowo, system ten, wspiera edukację inżynierską, pozwalając na zdobycie praktycznej wiedzy o zaawansowanych technologiach energetycznych.

Wstęp
W obliczu globalnych wyzwań związanych ze zmianami klimatycznymi, rosnącym zapotrzebowaniem na energię oraz koniecznością ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, poszukiwanie efektywnych i zrównoważonych źródeł energii staje się priorytetem współczesnej nauki i technologii. Jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań w tej dziedzinie są ogniwa paliwowe – urządzenia elektrochemiczne, które przekształcają energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną. Ich unikalne właściwości, takie jak wysoka sprawność, niska emisja zanieczyszczeń oraz możliwość wykorzystania różnych paliw, sprawiają, że stanowią one kluczowy element przyszłych systemów energetycznych.
Aby móc porównać wydajność ogniw paliwowych, są one poddawane serii pomiarów, a zmierzone wartości są dokumentowane za pomocą różnych charakterystyk. W niniejszym artykule zostaną omówione trzy kluczowe charakterystyki ogniw paliwowych: prądowo-napięciowa, mocy oraz zużycia wodoru. Szczegółowa analiza każdej z nich pozwoli na lepsze zrozumienie mechanizmów wpływających na wydajność ogniw oraz na identyfikację strategii poprawy ich efektywności.

Budowa i zasada działania ogniw paliwowych
Wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą ogniw paliwowych opiera się na procesach elektrochemicznych zachodzących pomiędzy wodorem i tlenem. Z elektrochemicznego punktu widzenia, reakcja wodoru z tlenem jest procesem obejmującym transfer elektronów. Gdy te dwie substancje zetkną się ze sobą, zachodzi gwałtowna, wybuchowa reakcja (reakcja
wodorowo-tlenowa). Wodór reaguje oddając elektrony (utlenianie) z tlenem, który z kolei pobiera elektrony (redukcja). Jeśli ta swobodna reakcja jest uniemożliwiona przez oddzielenie komory reakcyjnej i dozwolony jest tylko transfer jonów za pomocą elektrolitu, elektrony mogą być przewodzone przez rezystor obciążenia, a tym samym można wymusić przepływ prądu.
Ogniwo paliwowe opisane w niniejszym artykule opiera się na zasadzie wymiany protonów za pośrednictwem specjalnej membrany z tworzywa sztucznego. Ogniwa te znane są jako PEMFC lub ogniwa paliwowe PEM. Centralnym elementem tego ogniwa jest membrana z tworzywa sztucznego, zazwyczaj wykonana z nafionu, która działa jako elektrolit. Po obu stronach membrany znajdują się dwie elektrody: anoda i katoda. Anoda jest stroną, do której dostarczane jest paliwo, najczęściej wodór. Wodór jest rozdzielany na protony i elektrony przez katalizator, który jest zwykle wykonany z platyny. Protony przechodzą przez membranę, podczas gdy elektrony są zmuszone do przepływu przez zewnętrzny obwód elektryczny. Na katodzie, która jest stroną odbierającą utleniacz, zazwyczaj tlen, protony, które przeszły przez membranę, oraz elektrony, które przeszły przez zewnętrzny obwód, łączą się z tlenem, tworząc wodę jako produkt uboczny.
Rysunek 1: Schemat budowy ogniwa paliwowego typu PEM[5]

Reakcje anodowe i katodowe takiego ogniwa paliwowego z membraną protonowymienną przedstawiają poniższe wzory:
Anoda: 𝐻2→2𝐻++2𝑒−
Katoda: 𝑂2+4𝐻++4𝑒−→2𝐻2𝑂
Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, które, choć opierają się na zbliżonych zasadach działania, różnią się między sobą pod względem technologii i specyfikacji konstrukcyjnych. Każdy rodzaj ogniwa ma swoje unikalne właściwości, w tym różne rodzaje elektrolitów, temperatury pracy oraz wymagania dotyczące paliwa.
Głównymi grupami ogniw paliwowych są: alkaliczne AFC, z membraną do wymiany protonów PEMFC/ PEM, zasilane bezpośrednio metanolem DMFC, z kwasem fosforowym PAFC, z elektrolitem ze stopionych węglanów MCFC i ze stałym tlenkiem SOFC. Różnią się one temperaturami pracy, sprawnością, paliwami i elektrolitami.

Charakterystyki ogniw paliwowych
Charakterystyka prądowo-napięciowa i krzywa mocy
Krzywa charakterystyki napięciowo-prądowej i krzywa mocy są jednymi z najważniejszych krzywych charakteryzujących ogniwo paliwowe. Można je wykorzystać do określenia przydatności ogniwa paliwowego do różnych obszarów zastosowań. Na Wykresie 1 przedstawiono wyżej wymienione krzywe.

Wykres 1: Charakterystyka prądowo-napięciowa (U) i charakterystyka mocy (P) ogniwa paliwowego typu PEM
Charakterystyka mocy
Moc ogniwa paliwowego zależy od rezystancji obciążenia. Osiąga ona maksimum przy określonym natężeniu prądu i gwałtownie spada, gdy tylko stos ogniw paliwowych nie może już dostarczać wystarczającego prądu. (Wykres 1)
Charakterystyka prądowo-napięciowa
Analizując krzywą prądowo napięciową ogniwa PEM, wyróżniamy trzy charakterystyczne obszary, odpowiadające trzem rodzajom strat w ogniwie paliwowym: straty aktywacyjne, straty omowe związane z rezystancją wewnętrzną oraz straty transportu masy. (Wykres 1)
W obszarze I spadek napięcia jest wynikiem strat aktywacyjnych, które są związane z wolnym tempem reakcji elektrochemicznych na elektrodach.
W obszarze II napięcie spada liniowo wraz ze wzrostem natężenia prądu, co jest spowodowane rezystancją wewnętrzną ogniwa, obejmującą rezystancję elektrod oraz elektrolitu. Aby minimalizować straty mocy, rezystancja elektrolitu powinna być jak najniższa.
Obszar III, charakteryzujący się najwyższymi wartościami natężenia prądu, nazywany jest obszarem strat transportu masy. Straty te pojawiają się, gdy tempo zużycia gazów w kontakcie z katalizatorem i elektrodą przewyższa tempo ich dostarczania, co ma miejsce przy przeciążeniu elektrycznym ogniwa przekraczającym jego znamionowe wartości. Efektem tego zjawiska jest gwałtowny spadek napięcia. [2]
Czystość tlenu a charakterystyka ogniwa paliwowego
Gęstość prądu to wartość określająca natężenie prądu elektrycznego przypadającego na jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika. Krzywa napięcia od gęstości wygląda w ten sam sposób, co prądowo-napięciowa i za jej pomocą również można monitorować pracę ogniwa paliwowego.
Wykres 2 przedstawia przykładową krzywą charakterystyczną ogniwa paliwowego z membraną protonowymienną dla pracy z czystym tlenem (górna krzywa) i powietrzem (dolna krzywa). Stromość krzywej charakteryzuje opór wewnętrzny ogniwa. Im bardziej płaska jest krzywa w środkowym obszarze, tym niższy jest opór wewnętrzny ogniwa, co skutkuje niższymi stratami omowymi.

Wykres 2: Zależność krzywej napięcie-gęstość prądu od czystości tlenu[1]
Temperatura a charakterystyka ogniwa paliwowego
Zmiana temperatury pracy ogniwa paliwowego typu PEMFC wpływa na jego charakterystykę zewnętrzną. Na Wykresie 3 przedstawiono charakterystyki prądowo-napięciowe dla trzech różnych temperatur pracy: 45°C, 55°C oraz 65°C. Wartości temperatury 45°C i 65°C są porównywane do nominalnej temperatury pracy ogniwa paliwowego o mocy 1,26 kW, wynoszącej 55°C.

Wykres 3: Wpływ temperatury pracy ogniwa PEM na charakterystykę prądowo-napięciową[2]
Obniżenie temperatury powoduje wzrost strat aktywacyjnych, co skutkuje przesunięciem charakterystyki napięciowo-prądowej w dół w stosunku do charakterystyki przy temperaturze nominalnej 55°C. Z kolei podwyższenie temperatury przyczynia się do zmniejszenia polaryzacji aktywacyjnej, przesuwając charakterystykę w górę względem tej samej wartości odniesienia. Warto jednak pamiętać, że zbyt wysoka temperatura może doprowadzić do wyschnięcia membrany, co w rezultacie zmniejszy przewodnictwo jonowe.[2]
Charakterystyka zużycia wodoru
Wykres 4 przedstawia zależność zużycia wodoru przez stos w funkcji jego obciążenia.

Wykres 4: Zużycie wodoru w funkcji obciążenia[7]
Ilość zużywanego wodoru przez ogniwo paliwowe jest ściśle związana z punktem pracy ogniwa, a dokładniej z natężeniem prądu przepływającego przez zewnętrzny obwód. Im większe natężenie prądu, tym większe jest zapotrzebowanie na wodór i tym samym zużycie wodoru, ponieważ zwiększa się liczba reakcji elektrochemicznych zachodzących w ogniwie.
Zależność ta jest wprost proporcjonalna. Zgodnie z charakterystyką U=f(I), natężenie prądu osiąga swoją maksymalną wartość w stanie zwarcia, co oznacza, że w takiej sytuacji ogniwo paliwowe zużywa największą ilość paliwa. [7]

Optymalizacja pracy ogniwa paliwowego
Aby zoptymalizować warunki pracy ogniwa paliwowego, kluczowe jest zrozumienie i minimalizacja trzech głównych rodzajów strat: strat aktywacyjnych, strat omowych i strat transportu masy. Minimalizacja tych strat nie tylko poprawia wydajność ogniwa, ale także prowadzi do obniżenia kosztów wytwarzania energii. Istnieje kilka ważnych czynników wpływających na optymalne warunki pracy ogniwa paliwowego, w tym temperatura pracy ogniwa, temperatura i wilgotność gazów reakcyjnych oraz prędkość przepływu gazów.[3]
Temperatura pracy
Optymalna temperatura pracy zależy od typu ogniwa paliwowego i użytych materiałów. Praca ogniw paliwowych z membranami z polimerowych elektrolitów (PEM) jest ograniczona przez zakres temperatur, w których woda pozostaje w stanie ciekłym. Membrana musi zawierać wodę, aby umożliwić przenoszenie jonów wodorowych, które przewodzą ładunek wewnątrz membrany. Praca w temperaturach powyżej 100°C jest możliwa pod ciśnieniem, co pozwala na utrzymanie wody w stanie ciekłym, jednak takie warunki mogą znacząco skrócić żywotność ogniwa.
Temperatura i wilgotność gazów reakcyjnych
Jedną z kluczowych właściwości membran polimerowych w ogniwach paliwowych jest zależność ich przewodnictwa jonowego od poziomu nawodnienia. Wyższa zawartość wody w membranie przekłada się na lepsze przewodnictwo. Dlatego odpowiednie zarządzanie wodą jest niezbędne dla efektywnego działania ogniw PEM. Aby utrzymać wysokie przewodnictwo jonowe, stosuje się różne metody nawilżania membrany. Jedną z nich jest wstępne nawilżanie gazów reakcyjnych przed ich doprowadzeniem do ogniwa. Gazy nawilża się w nawilżaczach membranowych typu woda/gaz z wykorzystaniem wody wytworzonej przez ogniwo.[6]
Temperatura gazów reakcyjnych (wodoru i tlenu) również wpływa na wydajność ogniwa paliwowego PEM. Wysoka temperatura gazów może poprawić szybkość reakcji elektrochemicznych, ale jednocześnie może prowadzić do wzrostu strat wody w membranie, co wymaga efektywnego zarządzania wilgotnością.
Prędkość przepływu gazów
Prędkość przepływu wodoru i tlenu/powietrza wpływają na efektywność dostarczania reagentów do powierzchni elektrod. Zbyt niska prędkość przepływu może prowadzić do niedoboru reagentów i strat związanych z transportem masy, podczas gdy zbyt wysoka prędkość przepływu może prowadzić do strat związanych z przepływem laminarnym i nieefektywnego wykorzystania gazów.

Hybrid Energy Lab System
Hybrid Energy Lab System stworzony przez niemiecką firmę Heliocentris to system do przeprowadzania zaawansowanych badań z zakresu ogniw paliwowych, technologii akumulatorów, systemów hybrydowych, zarządzania energią i magazynowania energii. Umożliwia on użytkownikom zrozumienie i zbadanie poszczególnych komponentów i zachowania systemu w różnych konfiguracjach hybrydowych. Zaprojektowany został jako laboratorium wspierające kursy inżynierskie.
Stanowisko umożliwia realizację badań w następujących zakresach:
- Wyznaczenie charakterystyk: ogniwa paliwowego, konwertera DC/DC, ładowania i rozładowywania akumulatora, poszczególnych etapów konwersji energii w układzie
- Analiza konwersji energii oraz sprawności układu
- Hybrydyzacja zasilania akumulatorowego z wodorowym
- Symulacja autonomicznych układów zasilania
- Układ zasilania bezprzerwowego, awaryjnego (UPS) i analiza jego pracy

Poniższe Wykresy 5, 6 i 7 przedstawiają charakterystyki ogniwa paliwowego wykonane przy pomocy systemu hybrydowego Hybrid Energy Lab.

Wykres 5: Krzywa mocy stosu i modułu ogniwa paliwowego PEM

Wykres 6: Zużycie wodoru w zależności od prądu ogniwa paliwowego PEM

Wykres 7: Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa PEM
Dzięki zastosowaniu systemu Hybrid Energy Lab, możliwe jest przeprowadzenie dokładnych pomiarów i analiz związanych z charakterystykami prądowo-napięciowymi, charakterystykami mocy oraz zużyciem wodoru przez ogniwa paliwowe. Tego rodzaju badania są niezbędne do optymalizacji ogniw paliwowych i ich integracji w bardziej złożone systemy energetyczne. System umożliwia również praktyczne zrozumienie dynamiki pracy ogniwa w czasie rzeczywistym, co jest kluczowe dla poprawy efektywności i trwałości ogniw.
W szczególności, przy wykorzystaniu tego sprzętu, badacze mogą dokładnie określić straty aktywacyjne, omowe oraz dyfuzyjne w różnych warunkach operacyjnych, co jest niezbędne do opracowania bardziej wydajnych i niezawodnych systemów.
Hybrid Energy Lab System jest więc nieocenionym narzędziem w edukacji inżynierskiej, umożliwiającym studentom i badaczom zdobycie praktycznej wiedzy i doświadczenia w pracy z zaawansowanymi technologiami energetycznymi.

Podsumowanie
Ogniwa paliwowe jako obiecujące źródło energii, mogą odegrać kluczową rolę w przyszłych systemach energetycznych, zwłaszcza w kontekście globalnych wyzwań związanych z klimatem i zapotrzebowaniem na energię. Aby zrozumieć i poprawić ich wydajność, niezbędne są szczegółowe analizy ich charakterystyk, takich jak prądowo-napięciowa, mocy oraz zużycia wodoru.
Ogniwa paliwowe mogą być zoptymalizowane poprzez redukcję strat aktywacyjnych, omowych i transportu masy, co z kolei prowadzi do zwiększenia efektywności energetycznej i obniżenia kosztów. Systemy badawcze, takie jak Hybrid Energy Lab System, pozwalają na precyzyjne pomiary i symulacje, które są niezbędne do zrozumienia i poprawy działania ogniw paliwowych w różnych warunkach operacyjnych. W efekcie, wdrożenie i optymalizacja ogniw paliwowych mogą znacząco przyczynić się do tworzenia bardziej zrównoważonych i efektywnych systemów energetycznych. Ponadto, systemy badawcze stanowią cenne narzędzie edukacyjne, umożliwiające przyszłym inżynierom zdobycie praktycznej wiedzy na temat zaawansowanych technologii energetycznych, co jest kluczowe dla ich dalszego rozwoju i wdrażania na szeroką skalę.

Bibliografia
[1] M. Ohl, D. Özdemir, N. Hartmann, M. Henßler, B. Fleischer, J. Güsewell: Elektrolyse und Brennstoffzelle. Universität Stuttgart Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 6 / 2021
[2] B. Ceran: Charakterystyki eksploatacyjne stosu ogniw paliwowych typu PEMFC. Polityka energetyczna – energy policy journal 2014, Tom 17, Zeszyt 3, s. 135–146, ISSN 1429-6675
[3] J. Zmywaczyk, D. Jeżewski: Badanie ogniwa paliwowego typu PEM. Laboratorium Termodynamiki, Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT
[4] Heliocentris Academia International GmbH: Nexa® Hybrid Energy Lab System - Training System; Experiment Guide. Czerwiec 2012 - Luty 2017
[5] P. Bujło „Polimerowe superjonowe membrany dla ogniw paliwowych typu PEMFC”, Wrocław 2006
[6] Polak, A.: Wodorowe ogniwa paliwowe PEM – badania wpływu natężenia przepływu tlenu na membranę polimerową. Wydział Mechaniczno-Elektryczny Akademii Marynarki Wojennej, Przetwórstwo tworzyw. 2 (marzec-kwiecień), 2017, s.124.
[7] B. Ceran: Badania modelowe ogniw paliwowych typu PEM. Poznań university of technology academic journals. Electrical Engineering, 2017