Artykuły

Streszczenie
W obliczu wyzwań XXI wieku związanych z zapewnieniem energii dla wszystkich, ogniwa paliwowe stanowią kluczową technologię przyszłości. Artykuł przedstawia kompleksowy przegląd różnych typów ogniw paliwowych, ich budowy oraz szerokiego zakresu zastosowań. Omówiono alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC), ogniwa z membraną do wymiany protonów (PEMFC), ogniwa zasilane bezpośrednio metanolem (DMFC), ogniwa z kwasem fosforowym (AFC), ogniwa z elektrolitem ze stopionych węglanów (MCFC) oraz ogniwa ze stałym tlenkiem (SOFC). Analizując ich zalety i ograniczenia, podkreślono potencjał ogniw paliwowych do zastosowań w elektroenergetyce, transporcie i innych sektorach przemysłowych. Artykuł stanowi cenny przegląd rozwiązań technologicznych ogniw paliwowych i wskazuje kierunki dalszych badań, które mogą przyczynić się do zrównoważonego rozwoju energetycznego.

Wstęp
Zapewnienie powszechnego dostępu do energii jest bez wątpienia jedną z najbardziej wymagających kwestii XXI wieku. Wydajność, dostępność, przystępność cenowa, zmniejszona zależność, przyjazność dla środowiska i wolność od ryzyka to kluczowe cele, które ludzie starają się osiągnąć. W szczególności, trend w kierunku ochrony środowiska i potrzeba odejścia od najważniejszego surowca kopalnego na Ziemi, ropy naftowej, ze względu na jego niedobór, są obecnie coraz bardziej widoczne.
Przykładem technologii przyszłości XXI wieku są ogniwa paliwowe, które, mimo że od momentu ich odkrycia nie znalazły szerokiego zastosowania z powodu niskiej efektywności, obecnie zyskują na znaczeniu. Ogniwa paliwowe przeżywają światowy renesans dzięki swoim licznym zaletom, zwłaszcza w kontekście ochrony środowiska i uniezależnienia się od surowców kopalnych.
W niniejszym artykule dokonano kompleksowego przeglądu różnych typów ogniw paliwowych, ich budowy oraz szerokiego spektrum zastosowań. Celem artykułu jest nie tylko przedstawienie obecnego stanu wiedzy w tej dziedzinie, ale także zainspirowanie dalszych badań nad innowacyjnymi rozwiązaniami energetycznymi, które mogą znacząco wpłynąć na globalne strategie zrównoważonego rozwoju.

Budowa i zasada działania ogniw paliwowych
Każdy typ ogniwa paliwowego ma specyficzną budowę dostosowaną do swojego trybu pracy i rodzaju paliwa. Jednak każde z nich, aby funkcjonowało, musi posiadać cztery główne elementy: anodę, katodę, elektrolit (lub membranę) oraz obwód zewnętrzny. Aby zaszedł proces chemiczny, potrzebny do produkcji prądu elektrycznego, potrzebne jest również paliwo, np. wodór oraz utleniacz. [1]
Zasadę działania można łatwo przedstawić na podstawie ogniwa paliwowego PEM (z membraną do wymiany protonów). Gazy reakcyjne (paliwo i utleniacz) przepływają przez kanały gazowe do warstwy katalizatora: tlen po stronie anody i wodór po stronie katody. Wodór jest rozdzielany przez katalizator na elektrony i kationy wodorowe (protony). Protony mogą przeniknąć przez membranę i przepłynąć do anody, natomiast elektrony nie mogą - w rezultacie między elektrodami powstaje napięcie.
Dokładne reakcje elektrochemiczne w ogniwach paliwowych zależą od rodzaju używanego paliwa i utleniacza, które są substratami reakcji.

Rysunek 1: Budowa i zasada działania ogniwa paliwowego PEM[4]

Rodzaje ogniw paliwowych – opis i zastosowanie
Ogniwa paliwowe można podzielić względem zastosowanych elektrolitów. Poniższa Tabela 1 przestawia rodzaje ogniw paliowych, z uwzględnieniem gazów reakcyjnych, elektrolitu, temperatury pracy, zakresu mocy oraz sprawności ogniwa.

Tabela 1: Rodzaje ogniw paliwowych[2]

Różnorodność dostępnych typów ogniw paliwowych, takich jak ogniwa protonowe, tlenkowe czy węglowe oraz szeroki zakres temperatur pracy, od 20° do aż 1000°, pozwala na ich zastosowanie w wielu dziedzinach, od transportu po przemysł i energetykę stacjonarną.
Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC)
Ten typ ogniwa paliwowego, klasyfikowany jako niskotemperaturowe, stanowił kamień milowy w rozwoju technologii ogniw. Do procesu przekształcania energii wykorzystuje wodór i tlen. Elektrolitem jest roztwór wodorotlenku potasu (KOH). AFC ma dwie główne wady. Pierwsza dotyczy wrażliwości ogniwa na dwutlenek węgla (CO₂), który tworzy węglan potasu (K₂CO₃) i zmniejsza liczbę jonów hydroksylowych, co przyczynia się do zatruwania ogniwa. Z tego względu konieczne jest stosowanie systemu oczyszczania powietrza z CO₂ i używanie czystego tlenu. Drugą wadą jest korozyjność elektrolitu, co obniża trwałość ogniwa.
Alkaliczne ogniwa paliwowe odniosły szczególny sukces w podróżach kosmicznych i w napędzie łodzi podwodnych. Pierwsza na świecie łódź pasażerska z ogniwami paliwowymi również była zasilana alkalicznymi ogniwami paliwowymi. Pomimo solidnego systemu, ten typ ogniw paliwowych ma stosunkowo krótką żywotność. AFC nie osiąga tak wysokiej gęstości mocy, jak powszechnie stosowane obecnie membranowe ogniwa paliwowe.
Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM)
Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów składają się z dwóch płytek bipolarnych i membrany. Membrana ta blokuje przepływ elektronów i reagentów między anodą a katodą, ale umożliwia przepływ protonów. PEMFC działa w niskich temperaturach, co pozwala na szybkie uruchomienie w porównaniu do ogniw wysokotemperaturowych. Brak ciekłego elektrolitu ułatwia uzyskanie szczelności ogniwa.
Żaden inny typ ogniwa paliwowego nie jest tak wszechstronny jak PEM. Ze względu na bardzo dynamiczną moc wyjściową, ogniwa paliwowe PEM są często wykorzystywane w sektorze mobilnym, np. w samochodach osobowych, dostawczych i autobusach, ale także w lotnictwie, kosmonautyce i żegludze. Innym szerokim obszarem zastosowania ogniw PEM, jest zasilanie awaryjne, na przykład w transporcie kolejowym i telekomunikacji, a także ochrona krytycznej infrastruktury przemysłowej lub centrów danych.
Mniejsze systemy PEM są stosowane na przykład w przenośnych generatorach lub stacjonarnych domowych systemach zasilania w elektrociepłowniach. Większe systemy ogniw paliwowych PEM można znaleźć na przykład w szpitalach, basenach i innych obiektach komunalnych. Ten typ ogniw paliwowych ma obecnie największy potencjał spośród wszystkich innych, zwłaszcza pod względem masowej produkcji.
Ogniwo paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem (DMFC)
Technologia ogniw paliwowych zasilanych bezpośrednio metanolem jest nowoczesnym rozwiązaniem w porównaniu do innych typów ogniw. W ogniwach DMFC paliwem jest metanol, a utleniaczem tlen z powietrza. Wyróżnia się dwa rodzaje DMFC: pasywne i aktywne.
Aktywne DMFC składają się z zewnętrznych komponentów, takich jak pompy do paliwa, pompy cyrkulacyjne, wymienniki ciepła, dmuchawy, zbiorniki z tlenem pod ciśnieniem i odgazowywacze. Te elementy odpowiadają za transport i cyrkulację substratów oraz produktów reakcji.
Pasywne DMFC nie mają zewnętrznych mechanizmów takich jak pompy czy systemy dostarczania powietrza. Składają się z warstw i membran, które umożliwiają przepływ odpowiednich cząsteczek. Warstwa katodowa jest zaprojektowana tak, aby miała kontakt z powietrzem atmosferycznym, co pozwala na „oddychanie” powietrzem. Anodowa warstwa, przepuszczalna dla paliwa, ma kontakt z mieszanką metanolu i wody. Pomiędzy warstwami anody i katody znajduje się membrana wymieniająca protony, która separuje te dwie warstwy i umożliwia przepływ protonów.
Dzięki nieskomplikowanej obsłudze bezpośrednie metanolowe ogniwa paliwowe są szeroko stosowane. DMFC są wykorzystywane do zastosowań stacjonarnych, takich jak zasilacze off-grid dla stacji pomiarowych, systemów monitorowania lub sprzętu komunikacyjnego. W zastosowaniach przenośnych ogniwa te często stosuje się jako przedłużacze zasięgu pojazdów elektrycznych – dzięki ich wysokiej gęstości magazynowania, DMFC zapewnia pojazdom elektrycznym duży, przyjazny dla środowiska zasięg. Co więcej, reakcja metanolu z tlenem w tego typu ogniwach wytwarza tylko niewielką ilość dwutlenku węgla oprócz pary wodnej. Ponadto, ciekły metanol jest łatwy do przechowywania.
Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)
Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC) używa płynnego kwasu fosforowego (H₃PO₄) jako elektrolitu. Poniżej 100°C jego przewodność jest niska.
Jako średniotemperaturowe ogniwo paliwowe, ten typ ogniwa ma nie tylko wyższą temperaturę pracy, ale także pewną tolerancję na tlenek węgla (CO) i dwutlenek węgla, co oznacza, że może
być zasilany głównie reformowanym gazem ziemnym. Jednak ze względu na kwaśny, agresywny elektrolit, ma on również stosunkowo krótką żywotność. Jest on stosowany w dziedzinie skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, np. w stacjonarnych dostawach energii dla zakładów przemysłowych, centrów handlowych, szpitali, a nawet osiedli mieszkaniowych.
Ogniwo z elektrolitem ze stopionych węglanów (MCFC)
Ogniwo MCFC używa stopionych węglanów (litu, sodu i/lub potasu) jako elektrolitu, zawieszonych w porowatym spieku ceramicznym. Może być zasilane wodorem, tlenkiem węgla, gazem ziemnym lub propanem i działa w temperaturze około 600°C. Mimo że reakcje w MCFC są bardziej skomplikowane, nie wymagają katalizatorów z metali szlachetnych.
To wysokotemperaturowe ogniwo paliwowe ma tę zaletę, że jest niewrażliwe na tlenek węgla i może bezpośrednio wykorzystywać gaz ziemny, węgiel, biogaz i gaz syntezowy bez procesu reformingu. Wewnętrzny obieg dwutlenku węgla w ogniwie paliwowym ze stopionego węglanu wymaga jednak dodatkowego zarządzania elektrolitem i dwutlenkiem węgla. Ogniwo MCFC przedkłada produkcję ciepła nad produkcję energii elektrycznej. Ponieważ ma dłuższą fazę rozruchu, a jego żywotność w dużej mierze zależy od liczby cykli start-stop, ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu idealnie nadaje się do pracy przy obciążeniu podstawowym w elektrowniach i elektrociepłowniach. Na Rysunku 2 przedstawiono schemat układu hybrydowego ogniwa paliwowego MCFC w połączeniu z turbiną gazową.

Rysunek 2: Schemat układu hybrydowego ogniwa paliwowego MCFC z turbiną gazową: MCFC – turbina gazowa z recyrkulacją części gazów anodowych i wymiennikami regeneracyjnymi: S – sprężarka; T – turbina gazowa; G – generator; DC/AC – falownik[3]
Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)
Ogniwo SOFC to ogniwo paliwowe ze stałym elektrolitem, najczęściej tlenkiem cyrkonu (ZrO₂) z domieszką tlenku itru (Y₂O₃). Działa w wysokich temperaturach (800-1000°C), co pozwala na użycie tańszych katalizatorów jak nikiel lub lantan zamiast platyny. Może być zasilane wodorem i tlenkiem węgla oraz powietrzem. Wysoka temperatura pracy umożliwia również wykorzystanie ciepła odpadowego, zwiększając efektywność energetyczną.
W porównaniu do ogniw paliwowych ze stopionego węglanu, tlenkowo-ceramiczne ogniwa paliwowe charakteryzują się stosunkowo prostym systemem, długą żywotnością i wysoką wydajnością. Ich temperatura robocza, sięgająca 1000 °C, predestynuje je pozyskiwania ciepła procesowego, a tym samym do użytku stacjonarnego w elektrowniach i elektrociepłowniach, ale także w systemach grzewczych w domach jedno- lub wielorodzinnych. W połączeniu z turbinami gazowymi, ogniwa paliwowe ze stopionego węglanu są również wykorzystywane w mniejszych elektrociepłowniach i dużych elektrowniach. Na Rysunku 3 przedstawiono schemat hybrydowego systemu zintegrowanego z ogniwem paliwowym SOFC i turbiną gazową.

Rysunek 3: Schemat hybrydowego systemu zintegrowanego z ogniwem paliwowym SOFC i turbiną gazową: S – sprężarka; T – turbina gazowa; G – generator; DC/AC - falownik[3]

Podsumowanie
Ogniwa paliwowe, z różnorodnymi typami i zastosowaniami nie tylko reprezentują zaawansowaną technologię przyszłości, ale również stanowią kluczowy element w transformacji energetycznej, dążąc do stworzenia bardziej ekologicznego i niezależnego systemu energetycznego. Przegląd różnych typów ogniw paliwowych, takich jak AFC, PEMFC, DMFC, PAFC, MCFC i SOFC, ukazuje ich różnorodność, specyfikę budowy i szerokie spektrum zastosowań. Każdy z tych typów posiada unikalne właściwości, które determinują jego przydatność w różnych sektorach przemysłu, transportu i energetyki stacjonarnej.
Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC) są najbardziej rozwinięte, choć wrażliwe na dwutlenek węgla i korozyjność elektrolitu. Ogniwa PEMFC wyróżniają się wszechstronnością i niską temperaturą pracy, co czyni je idealnymi dla sektora mobilnego i stacjonarnego. DMFC, zasilane metanolem, oferują prostotę i efektywność, zwłaszcza w przenośnych generatorach i systemach off-grid. Ogniwa PAFC, dzięki średniej temperaturze pracy i tolerancji na CO₂, są używane w dużych instalacjach przemysłowych. MCFC i SOFC, działające w wysokich temperaturach, umożliwiają wykorzystanie tanich katalizatorów i ciepła odpadowego, co zwiększa ich efektywność w dużych elektrowniach i elektrociepłowniach.
Technologia ogniw paliwowych, pomimo swoich wyzwań, takich jak korozyjność elektrolitów czy wrażliwość na zanieczyszczenia, ma ogromny potencjał. Postęp w tej dziedzinie może znacząco przyczynić się do globalnych strategii zrównoważonego rozwoju, redukcji emisji CO₂ oraz uniezależnienia się od paliw kopalnych. Dalsze badania i innowacje są niezbędne, aby w pełni wykorzystać potencjał ogniw paliwowych i sprostać wyzwaniom energetycznym przyszłości.

Bibliografia:
[1] Żyjewska U.: Rodzaje ogniw paliwowych i ich potencjalne kierunki wykorzystania. Nafta-Gaz 2020, nr 5, s. 332–339, DOI: 10.18668/NG.2021.05.06
[2] Tüvnord, Wasserstoff-Brennstoffzelle: Funktion & Arten: https://www.tuev-nord.de/de/unternehmen/energie/wasserstoff/wasserstoff-brennstoffzelle/
[3] Paska J., Kłos M.: Ogniwa paliwową przyszłością wytwarzania energii elektrycznej i ciepła? Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010
[4] 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