Ogniwo wodorowe zwane tez ogniwem paliwowym wymyślone zostało gdzieś w połowie XIX wieku, nie było ono doceniane przez długi czas, dopiero 2 wojna światowa i przemysł
kosmiczny upowszechniły i rozwinęły tego typu technologie. Ogniwa paliwowe (ang.
Fuel Cell) są to urządzenia, których zadaniem jest odzyskiwanie prądu
elektrycznego z różnego typu przemian chemicznych. Ja w tym artykule zajmę się
najpowszechniejsza metoda czyli przetwarzaniem wodoru i tlenu na prąd
elektryczny. Ostatnio i przemysł motoryzacyjny docenił zalety ogniw wodorowych,
produkując coraz to więcej samochodów elektrycznych zasilanych wodorem. W Polsce
niestety istnieje jakaś zmowa milczenia na ten temat, stwierdzam to ponieważ na
zachodzie dziś jeździ mnóstwo aut zasilanych wodorem, produkowanych przez takie
firmy jak Fiat, VW, Mercedes, Jeep. Nawet nie mówi się o tym, ze w Tychach
produkowane są seryjnie Fiaty Panda na wodór i wysyłane do Włoch. W ostatnich 10
latach został odnotowany kolosalny, megalityczny wręcz postęp w technologii
ogniw wodorowych. Przykładem jest fakt ze jeszcze 10 lat temu instalacja
wodorowa zasilająca napęd elektryczny Forda Transita zajmowała cala jego
przestrzeń bagażową. Dziś instalacja ta zajmuje tyle co duża torba turystyczna i
całkowicie się mieści pod podłoga przestrzeni bagażowej tego busa, jak by tego
było mało to jeszcze ma większą wydajność elektryczna. Ogniwa wodorowe dzielimy
na kilka typów, omówię je wg poniższych podpunktów z tym ze główną i największa
uwagę poświęcę ogniwom wykonanym w technologii PEM. Poniżej krotki zarys
historii motoryzacji wodorowej, żółte pole na rysunkach obrazuje wielkość
instalacji wodorowej.
W
roku 1994 koncern Daimler Chrysler zaprezentował elektryczne auto na wodór
gazowy o nazwie Necar 1, zasilany on był ogniwem o mocy 50 kW. Jak widać
instalacja zajmowała prawie całą przestrzeń bagażową tego pojazdu.

W
roku 1996 powstał model Necar 2, w którym 50 kWatowa instalacja zajmowała juz
wiele mniej miejsca.

W
1997 roku powstał Necar 3, samochód ten różnił się tym, że był na metanol, to
pierwszy taki model na świecie. Do baku lalo się roztwór metanolu i wody dalej
reformowane to było na wodór gazowy do ogniwa paliwowego. Moc instalacji to 50
kW
W
1999 zaprezentowano auto Necar 4, zasilane wodorem z butli, moc zespołu
zasilającego to 70 kW.
W 1999 roku zaprezentował też się Ford z swoim modelem P2000, paliwo podstawowe
stanowił wodór z butli, moc zespołu zasilającego to 70 kW.
W roku 2000 pokazano auto Necar 4 Advanced, różniło się ono tym, że miało

instalacje o mocy 75 kW na wodór. W butli pod ciśnieniem 350 barów jest go 2 kg (ok 28 litrów), silnik elektryczny ma moc 55 kW, prędkość max to 145 km/h, zasięg na 1 butli 250 km. Poniżej Ford Focus FCV z instalacja 75 kW i też na wodór z butli.
Dalej jeszcze rok 2000 i Necar 5 na metanol, moc instalacji to 75 kW. Poniżej Jeep Commander 2 koncernu Daimler Chrysler, była to konstrukcja o tyle ciekawa, że użyto w niej tez akumulatorów Ni-MH, najprawdopodobniej po to, aby nie czekać ok 2 minuty aż się ogniwa nagrzeją i też na wypadek braku metanolu w baku,

akumulatory doładowywane były przy hamowaniu, moc ogniw 75 kW. Można powiedzieć,

że to swoistego rodzaju hybryda.

W

2001 roku koncern Mercedes zaprezentował swojego Sprintera na wodór z butli, moc

zespołu 75 kW.

Dalej

2001 rok i Mazda Premacy FC-EV z zespołem o mocy 75 kW, zasilane to było

metanolem.

Ogólnie rzecz

biorąc takie rozwiązania to przyszłość motoryzacji, dziś auto elektryczne

zasilane wodorem z butli przy silniku o mocy takiej samej jak spalinowe “spala”

ok 2 do 4 litrów wodoru na 100 km. Jednak samochody na wodór to tylko mała część

sposobów na wykorzystanie wodoru i ogniw paliwowych. Ogniwa wykorzystuje się

głównie w elektrowniach i systemach podtrzymywania zasilania w fabrykach i

większych firmach. Teraz opis ogniw.

a) AFC -ogniwo alkaiczne.

b) SOFC – ogniwa tlenków metali.

c) PAFC – ogniwo kwasu fosforowego.

d) PEMFC – ogniwo wodorowe z membrana PEM.

e) DMFC – ogniwo na metanol dozowany bezpośrednio.

a) AFC – ogniwo alkaiczne.

Ogniwo w którym elektrolitem jest KOH lub NaOH, napięcie ogniwa to ok 0,8 V,

używa się jednak tylko KOH bo jest wydajniejsze i ogniwo ma większa sprawność.

Zamieszczam foto i rysunki instalacji AFC, ogniwo o mocy ok 100kW ma wielkość

lodówki o wysokości 160 cm. Temperatura pracy ok 120 – 250 st C. Roztwór KOH w

wodzie 30 – 85%, zwykle 35 %. Im większe stężenie KOH tym większa temp pracy.

Elektrody zalecane platynowe, lub miedz pokryta platyną, możliwy też nikiel jak

ktoś nie ma pieniędzy. Obrazek poniżej pokazuje ogólny wygląd ogniwa KOH.

Tak budowane są profesjonalne ogniwa AFC, jak widać miedzy dwoma płytami jest

płynny elektrolit, gaz wpompowuje się po bokach, jest zwykle pod ciśnieniem do

15 ATM max, od ciśnienia zależy sprawność ogniwa. Pewnie zastanawia was jak to

jest ze gaz przelatuje przez elektrody a elektrolit nie wycieka. Elektrodami są

tu płyty wykonane z zmielonego węgla razem z pyłem platynowym i teflonowym,

potem to się prasuje i w efekcie wychodzi płyta która ma pełno porów przez które

przelatuje gaz do elektrolitu, napięcie powierzchniowe elektrolitu oraz

ciśnienie gazów tlenu i wodoru utrudnia powolne przeciekanie go na zewnątrz.

Ciśnienie gazu jest większe niż ciśnienie pary wodnej w komorze elektrolitu.

Proszę zobaczyć

ten rysunek. Poniżej

daje fotki samochodu i motocykla zasilanego wodorem z

ogniwa AFC, ciekawe jest to ze są to konstrukcje

z lat 60-tych XX wieku.

Po dalsze

informacje o tym samochodzie zapraszam na

http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/kordesch.html

Jak na tamte czasy była to rewolucja technologiczna, Kordesch wyprzedził swoją

epokę. Poniżej rysunek instalacji AFC, taka instalacja jest bardzo

profesjonalna, stosowana w wczesnych statkach kosmicznych.

Instalacja taka może mieć sprawność do nawet 90% jeżeliby w dużym stopniu

wykorzystać ciepło jakie wytwarza ogniwo. Samo ogniwo ma sprawność ok 60 – 65%.

Ja przybliżę o co tu chodzi, rysunek pochodzi

stąd. Widzimy tu

kolejno 3 zespoły pracujące razem. Część żółta to obieg wodoru, wodór krąży w

kółko po elektrodach i jest po woli uzupełniany z zewnętrznego zbiornika. W

obwodzie wodoru widzimy H2O Condenser czyli skraplacz pary wodnej, która

znajdzie się w obwodzie wodoru. Woda krąży w ogniwie w obiegu zamkniętym, tak

jak KOH, elektrolit wymienia się z reguły co jakieś 5 lat ciągłej pracy. Ważne

jest aby wodór był maksymalnie czysty, tak samo tlen, jeżeli wodór i tlen miąłby

czystość 100% oraz elektrody byłyby wykonane z lepszego materiału prawdopodobnie

elektrolit byłby wieczny. Dalej mamy obwód elektrolitu zaznaczony na czerwono.

Pompka pompuje elektrolit przez chłodnice do komory ogniwa i z stamtąd do

zewnętrznego zbiornika elektrolitu. Obieg elektrolitu zapewnia wyższa sprawność

ogniwa i lepsza chłonność paliwa oraz czystość elektrod, po prostu nie osadza

się na nich potas. W zbiorniku mamy tez Heater czyli podgrzewacz, jak pisałem

wcześniej ogniwo to pracuje w temp do 250 st C. Zanim ono zacznie pracować

dobrze jest podgrzać elektrolit bo inaczej to zanim on się sam z siebie nagrzeje

to minie kilkadziesiąt minut. Z tej chłodnicy możemy odbierać ciepło zasilające

np instalacje CO w domu, ciepłą wodę użytkową lub turbinę parowa albo silnik

parowy. Dalej obieg niebieski czyli obieg tlenu. Ogniwo jest bardzo wrażliwe na

CO2 wiec tlen musi być nie tyle aż tak mocno czysty co pozbawiony CO2 najlepiej

w 100%, do tego służy zespół filtrów oraz absorber CO2 jeżeli korzystamy z tlenu

atmosferycznego. Oczyszczacz CO2 nie jest wymagany jeżeli nasze ogniwo

współpracuje z instalacja elektrolizera wody w jednej butli mamy tlen w 2 mamy wodór i to bardzo czyste. Do tego co ważne

mamy tlen i wodór w odpowiedniej ilości i proporcjach, bo reakcja w ogniwie jest

odwrotnością reakcji elektrolizy. Powyższa instalacja jest zastosowana w właśnie

tym samochodzie.

Pomysł

na domowe wykonanie ogniwa AFC.

Jak wiadomo ciężko jest wykonać w

warunkach domowych elektrody węglowe, cala instalacja musi raczej wyglądać jak

ta na rysunku wyżej, jedyne co możemy uprościć to budowę elektrod oraz nie

montować oczyszczacza CO2, ponieważ będzie to zasilane z elektrolizera wody.

Ktoś może zapytać jaki to ma więc sens, przecież elektrolizer wody zje 2x więcej

prądu niż da ogniwo ? Tak i to jest prawda, że zje 2 x więcej, tu chodzi o to

aby tanio przechować energie np z wiatraka albo ogniw słonecznych,

przechowywanie dużych ilości energii w akumulatorach jest mało opłacalne i

kilkadziesiąt razy droższe niż przechowywanie w wodorze. Akumulatora sobie sami

tanio nie zrobimy, a instalacje wodorową tak. Wystarczy wiatrak za ok 3000 zł z

komponentów z demobilu i złomu, o mocy ok 5 kW aby juz nigdy w życiu nie płacić

za prąd. Przy większej instalacji czyli do ogrzewania też domu trzeba by wiatrak

ze 40 kW. Wymieniać będziemy tylko elektrolit co jakieś 5 – 10 lat, elektrody

może co 30 lat. Sam elektrolit jest śmiesznie tani ok 10 zl za 1 kg granulek KOH,

na ogniwo ogrzewająco zasilające powinno wystarczyć ze 20 kg. Wracamy do

elektrod – można to wykonać wg poniższego rysunku.

Uproszczony obrazek pokazuje

komorę z elektrolitem, w której mamy 2 elektrody pokryte cienka warstwa platyny

lub co będzie mniej wydajne ale o niebo tańsze i prostsze w produkcji niklem. U

dołu elektrod są wloty gazów zasilających – wodoru i tlenu. Pęcherzyki gazów

obiegające elektrody powodują prace ogniwa. Oczywiście gazy te mają instalacje

jak powyżej na tym 3 kolorowym rysunku, czyli skraplacze wody i obieg zamknięty

gazu z powolnym doładowywaniem. Część wody idzie na uzupełnienie jej w

elektrolizerze a część na uzupełnienie w komorze elektrolitu. Komputer

podłączony do czujników musi dbać o odpowiedni poziom elektrolitu. Elektrolit

oczywiście krąży jak na rysunku powyżej podłączony do chłodnicy. Taka wersja

ogniwa jest raczej przystosowana do pracy stacjonarnej, ponieważ bąbelki nie

mogą się mieszać i są oddzielone tylko specjalna przegrodą z otworami ukośnymi.

Otwory te zapobiegają mieszaniu się gazów. Sam elektrolit powinien krążyć po

woli równolegle do elektrod. Trzeba to zrobić tak aby elektrody były jak

najbliżej siebie a jednocześnie gaz się nie mieszał. Jako przegrodę można

spróbować zastosować jakieś typy siateczek z antykorozyjnego materiału, np jakaś

ceramika. Oczywiście sam potas w elektrolicie ogniw typu AFC nie zużywa się,

ulega tylko degradacji łącząc się w różne związki z pierwiastkami

zanieczyszczającymi paliwo wodorowo tlenowe. Wymieniamy go co kilka lat. Sądzę,

że tak rozwiązane ogniwo na bazie katalizatora niklowego powinno mieć sprawność

ok 40 – 50 %. Przy budowie należy pamiętać o stosowaniu odpowiednich materiałów

wytrzymujących temp pracy ok 130 st C dla roztworu 35 % oraz wytrzymujących

zasadowy charakter elektrolitu.

d) PEMFC – ogniwo wodorowe z membrana PEM.

PEMFC to

Proton Exchange Membrane Fuel Cell czyli po naszemu ogniwo paliwowe z membrana

wymieniającą

protony. Ogniwo takie jest dość proste w konstrukcji, składa się z anody

wykonanej z metalu o niskim stopniu korozji, czyli np z aluminium, miedzi, albo

stali nierdzewnej czy tez węgla, od wewnątrz elektrody te są pokryte platyną,

która pracuje tu jako katalizator, jej warstwa jest tak cienka ze aż prawie

przezroczysta. Same elektrody to porostu blacha powyginana w harmonijkę albo

blacha z wyrytymi kanałami lub po prostu siatka o drobnych oczkach np 0,5 x 0,5

mm. Miedzy elektrodami mamy membranę PEM, jest to polimer (Nafion 117 lub 115

lub 112 ok 10$ – 20$/dm2),  który ma za zadanie działać jako sito protonów czyli

jonów wodoru, jego grubość to 0,12 do 0,25 mm. Platyna na anodzie powoduje

rozbicie atomu wodoru na proton i elektron wg reakcji

H2 -> 2H+ + 2e- no i dalej te 2H+ czyli  2 gole protony przenikają sobie przez

membranę do katody (membrana przepuszcza tylko protony nic więcej). 2 elektrony

z kolei uciekają do anody i lecą kablami do odbiornika energii elektrycznej,

potem wracają kablami do katody i tam następuje kolejna reakcja w postaci O2 +

4H+ + 4e- -> 2H2O, czyli tlen z

powietrza łączy się samoczynnie z 4 protonami które właśnie wyleciały z membrany

PEM i z 4 elektronami, które właśnie przyleciały z

katody

w efekcie powstały 2 cząsteczki wody. Na katodzie też mamy warstewkę platyny

(katalizatora). Woda jest efektem ubocznym pracy ogniwa. Samo ogniwo w czasie

pracy nagrzewa się do ok 70 – 120 stopni Celsjusza, zwykle jest to temperatura

ok 80 stopni. Samorozgrzanie się ogniwa trwa ok 1 do 4 minut. Obok prądu mamy tu

również gorącą wodę. Ciśnienie wodoru w ogniwach paliwowych wacha się w

granicach od 0,5 do 15 atmosfer, ale akurat w ogniwie PEM to ciśnienie nie

przekracza zwykle 3 atmosfer. Co do Nafionu 117 zwykle ma on 0,183 mm grubości,

kupuje się go w sklepach za granica, np .: w Niemczech, w Polsce można go tylko

dostać za pośrednictwem laboratoriów lub wyższych uczelni, które zajmują się

ogniwami paliwowymi. Polecam stronę

http://www.fuelcellstore.com/cgi-bin/fuelweb/view=NavPage/cat=9

na niej możecie się zapoznać z różnymi ogniwami PEM i zobaczyć dokładniej jak to

wygląda. Na foto obok widać prosty kit szkolnego ogniwa paliwowego PEMFC, 2

zaciski u góry służą do odbioru prądu, wszystko jest zamknięte szczelnie w

opakowaniu z plexy, należy pamiętać, że komory gazowe tlenu i wodoru musza być

szczelnie oddzielone od siebie. Wydajność takiego ogniwa to ok 0,5 do 5 W na 1

cm2. Napięcie 0,5 do 1 V, zwykle 0,7 V i prąd nawet do kilku A z 1cm2 ogniwa. W

przemyśle ogniwowym tworzy się stosy ogniw, czyli łączy się wiele ogniw

szeregowo i równolegle w możliwie największym ściśnięciu, pokazuje to filmik

tutaj

(plik WMV 1MB). Polecam tez link

http://www.ogniwa.org/flash/dzialanie.html fajna

animowanka pokazująca działanie ogniwa. Ogniwa PEM w tej chwili to przyszłość

motoryzacji wodorowej i nawet już dość popularna w krajach UE teraźniejszość. W

astronautyce stosowane od końca lat 60-tych XX

wieku. Wg danych z polowy roku 2005, ogniwo PEM o wydajności 80 kW zajmuje tyle

miejsca co pół obudowy Midi ATX od komputera PC. Jest to kolosalnie dobry wynik,

którego nie można porównać z żadnym innym typem ogniw paliwowych. Przykładowo

inne najlepsze ogniwo nadające się na mini elektrownię do domu lub na zasilanie

samochodu, to AFC przy mocy 80 kW zajmowałoby tyle miejsca co spora lodówka

(mówię o domowym wykonaniu). Foto obok pokazuje 80kW ogniwo PEM z roku 2000.

Jeszcze odnośnie elektrod, bardzo dobre rezultaty mają elektrody węglowe podobne

w konstrukcji jak elektrody ogniwa AFC opisane powyżej. Dla ogniw PEM są one

trochę bardziej zaawansowane, zobacz obrazek

tutaj.Wodór wpadając

do tych kanalików węglowych “wyłożonych” platyną bardzo ładnie katalizuje i w

efekcie wydajność ogniwa rośnie. Wszystkie profesjonalne ogniwa PEM są raczej

tak właśnie budowane.