Jak działa ogniwo paliwowe?

Spis treści

• Budowa i podstawowe elementy
• Mechanizm działania
• Rodzaje i zastosowania

Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które zamienia energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną poprzez kontrolowaną reakcję z utleniaczem. Proces ten odbywa się bez udziału spalania, co sprawia, że technologia ta jest znacznie bardziej wydajna niż tradycyjne sposoby pozyskiwania energii.

Budowa i podstawowe elementy

Ogniwo składa się z trzech zasadniczych części: anody (elektrody o ładunku ujemnym), katody (elektrody dodatniej) oraz elektrolitu, który znajduje się pomiędzy nimi. Na anodzie zachodzi proces utleniania paliwa, którym najczęściej jest wodór. Katoda natomiast stanowi miejsce redukcji utleniacza, zwykle tlenu pobieranego z powietrza.

Przeczytaj również: Jak działają ogniwa wodorowe?

Elektrolit odgrywa istotną rolę jako przewodnik jonów pomiędzy elektrodami, jednocześnie uniemożliwiając przepływ elektronów. Może on występować w różnych formach – od ciekłych roztworów kwasów lub zasad, przez stałe tlenki ceramiczne, aż po specjalistyczne membrany polimerowe. Wybór konkretnego rodzaju elektrolitu wpływa na temperaturę pracy ogniwa oraz jego potencjalne zastosowania.

Przeczytaj również: Co to jest ogniwo paliwowe?

Dodatkowo każda z elektrod pokryta jest warstwą katalizatora, najczęściej wykonaną z platyny, która przyspiesza przebieg reakcji chemicznych. Katalizator umożliwia skuteczne rozdzielenie cząsteczek paliwa na jony i elektrony przy znacznie niższych temperaturach niż w przypadku tradycyjnego spalania.

Przeczytaj również: Jak zrobić ogniwo wodorowe?

Mechanizm działania

Wytwarzanie energii elektrycznej rozpoczyna się od doprowadzenia wodoru do anody. Pod wpływem katalizatora cząsteczki wodoru rozdzielają się na protony i elektrony. Protony przemieszczają się przez elektrolit w stronę katody, natomiast elektrony muszą pokonać tę drogę przez zewnętrzny obwód elektryczny, co powoduje powstanie prądu.

Na katodzie zachodzi jednoczesna reakcja z udziałem tlenu, protonów docierających przez elektrolit oraz elektronów wracających z obwodu zewnętrznego. Produktem tej reakcji jest para wodna, będąca jedynym odpadem całego procesu. Reakcja ta jest egzotermiczna, czyli towarzyszy jej wydzielanie ciepła jako produktu ubocznego.

Napięcie pojedynczego ogniwa wynosi około 0, 7 wolta, dlatego w praktyce łączy się je w zespoły zwane stosami. Takie połączenie szeregowe pozwala uzyskać wyższe napięcia niezbędne do zasilania różnorodnych urządzeń – od drobnej elektroniki po pojazdy napędzane energią elektryczną.

Rodzaje i zastosowania

Technologia ogniw paliwowych obejmuje kilka podstawowych typów, które różnią się rodzajem elektrolitu oraz zakresem temperatury pracy. Ogniwa z membraną wymiany protonów pracują w temperaturach 60-80 °C i są wykorzystywane w transporcie oraz niewielkich instalacjach stacjonarnych. Ogniwa z kwasem fosforowym działają w temperaturze około 200 °C i znajdują zastosowanie głównie w systemach kogeneracyjnych.

Wysokotemperaturowe ogniwa, takie jak te z elektrolitem węglanowym czy tlenkami stałymi, funkcjonują w zakresie 600-1000 °C. Pozwalają one na użycie różnych rodzajów paliw, w tym gazu ziemnego czy biogazu, a także cechują się wysoką sprawnością elektryczną dochodzącą do 60%.

Obecnie ogniwa paliwowe wykorzystywane są w wielu dziedzinach:

• samochody napędzane wodorem
• stacjonarne systemy energetyczne dla budynków mieszkalnych i komercyjnych
• przenośne źródła energii dla urządzeń elektronicznych
• systemy zasilania awaryjnego
• okręty podwodne oraz statki kosmiczne

Do głównych atutów tej technologii należą wysoka efektywność energetyczna, brak emisji szkodliwych substancji podczas użytkowania oraz cicha praca urządzeń. Wśród wyzwań można wymienić wysokie koszty produkcji, zwłaszcza katalizatorów platynowych, a także konieczność rozbudowy infrastruktury związanej z dostarczaniem wodoru. Trwałość ogniw również wymaga dalszych udoskonaleń, choć najnowsze konstrukcje osiągają już żywotność przekraczającą 40 000 godzin pracy.