Wodorowe ogniwa paliwowe - najważniejsze informacje

Rozwój technologiczny oraz zmiany w światowym przemyśle wymuszają ciągłą potrzebę poszukiwania nowych źródeł energii. Jak chodzi o baterie to obecnie nacisk kładziony jest nie tylko na wysoką efektywność, pojemność czy wydajność, lecz również na ekologię i możliwość pracy w różnych warunkach. Stąd cały problem sprowadza się do pogodzenia ze sobą wielu czynników, a rozwiązania proponowane przez producentów skupiają się na dostarczeniu na rynek specjalistycznych urządzeń. Istotny jest również elektrolit bądź wykorzystanie substancji, które swoimi własnościami i parametrami wpłyną na efektywność źródeł energii.

Przełomem w tej dziedzinie okazały się ogniwa paliwowe, które jako urządzenia elektrochemiczne pozwalają na uzyskanie energii elektrycznej i ciepła z reakcji w nich zachodzących. W skrócie: w ogniwach zachodzi przemiana energii chemicznej paliw jak wodór, metan, butan, metanol czy benzyna w energię elektryczną.

DACPOL, adresując te potrzeby i reagując na oczekiwania rynku, wprowadził do swojej oferty rozwiązania oparte na wodorze, które w perspektywie będą rozbudowywane o inne źródła energii. Aktualnie oferujemy ogniwa paliwowe typu PEM o różnej mocy oraz instalacje będące kompletnymi układami zasilania zawierające system wentylacji, konwerter i obudowę.

Wodór - najprostszy i najlżejszy pierwiastek

Jest to najprostszy (tworzą go jeden proton i jeden elektron) i najlżejszy (14 razy lżejszy od powietrza) pierwiastek chemiczny rozpoczynający układ okresowy, który stanowi około trzech czwartych masy Wszechświata. Wodór jest zawarty w wodzie pokrywającej ok. 70% powierzchni Ziemi, a także występuje we wszelkiej materii organicznej. Wodór w warunkach normalnych jest gazem bezbarwnym, bez smaku i zapachu, słabo rozpuszczalnym w wodzie (0,021 obj. H2 w 1 obj. H2O w 0°C). Niska temperatura krytyczna wodoru (-239,9°C) powoduje, że jego skroplenie jest trudniejsze niż skroplenie powietrza i większości innych gazów. Skroplony wodór jest cieczą bezbarwną o ciężarze właściwym 0,07 g/cm3. Wodór gazowy z powodu małej masy cząsteczkowej (2,0158) wykazuje najmniejszy ciężar właściwy spośród wszystkich gazów - 0,08988 g/l w 0°C i 1 atm. W porównaniu z gazami wykazuje również dużą szybkość dyfuzji oraz jest wśród nich najlepszym przewodnikiem ciepła. Jest to gaz palny, pali się czystym, pozbawionym węgla i sadzy płomieniem. W zestawieniu z innymi popularnymi paliwami jak benzyna, metan i propan, wodór ma wyraźnie wyższą wartość opałową, ciepło spalania, energię zapłonu oraz prędkość płomienia.

Magazynowanie wodoru

Wysokie udziały OZE w systemie elektroenergetycznym mogą powodować potrzebę długoterminowego i sezonowego magazynowania, na przykład w celu dostarczania energii elektrycznej przez kilka dni przy bardzo niewielkim wietrze i nasłonecznieniu.

Wodór i paliwa wodorowe, takie jak metan, ciekłe nośniki wodoru organicznego (LOHCs - Liquid Organic Hydrogen Carriers) oraz amoniak wytwarzany z energii elektrycznej przez elektrolizę są potencjalnymi opcjami długoterminowego i wielkoskalowego magazynowania energii. Kawerny solne są najlepszym wyborem do podziemnego magazynowania czystego wodoru ze względu na ich szczelność i niskie ryzyko zanieczyszczenia. Badane są również alternatywne podziemne opcje magazynowania wodoru, takie jak jaskinie, formacje wodonośne oraz miejsca pozostałe po wydobyciu ropy naftowej i gazu.

Przetwarzanie energii elektrycznej w metan za pomocą energii wytwarzanej z gazu ziemnego jest kolejną opcją długoterminowego magazynowania wodoru.

Czysty wodór, w większości przypadków, magazynuje się w zbiornikach ciśnieniowych. Dostępnych jest niewiele materiałów konstrukcyjnych stosowanych do produkcji zbiorników nadających się do przechowywania wodoru, ponieważ zwiększa on znacznie ich kruchość. Najlepszym obecnie rozwiązaniem są ultralekkie materiały kompozytowe, które wytrzymują ciśnienia powyżej 20 bar. Są one używane w prototypach samochodów i autobusów.

Wśród nich należy wymienić:

• Zbiorniki metalowe wykonane ze stali, wytrzymujące ciśnienie 200 bar, lub z aluminium, wytrzymujące maksymalne ciśnienie 175 bar.
• Zbiorniki aluminiowe zbrojone włóknem szklanym, aramidowym lub włóknami węglowymi, wytrzymujące maksymalne ciśnienia powyżej 250 bar.
• Butle wykonane z kompozytów włókno szklane/aramid lub włókno węglowe z wkładem metalowym, wytrzymujące maksymalne ciśnienia odpowiednio 305 i 438 bar.
• Butle wykonane są z typowego włókna węglowego pokrytego warstwą polimerową, które są w stanie wytrzymać ciśnienie powyżej 661 bar.

Nanowłókna węglowe materiałem przyszłości do wykonywania zbiorników na wodór

Materiałem przyszłości do wykonywania zbiorników na wodór mogą się stać nanowłókna węglowe, wśród których należy wskazać nanorurki węglowe - struktury o wyjątkowych właściwościach elektrycznych i mechanicznych, przypominających pod mikroskopem elektronowym matę splecioną z węglowych lin. Dobrze przewodzą ciepło i wykazują wysoką wytrzymałość przez co są obecnie jednymi z najmocniejszych i najsztywniejszych odkrytych materiałów.

Niektóre zbiorniki wykorzystywane są do długoterminowego przechowywania wodoru a inne przystosowane do ciągłego napełniania i opróżniania.

Wodór magazynowany jest także w postaci ciekłej. Zbiorniki z ciekłym wodorem można wykorzystywać w transporcie oraz urządzeniach przenośnych. Technologia wytwarzania ciekłego wodoru wymaga jednak dużych nakładów energetycznych, ponieważ jako sprężony należy go schłodzić do bardzo niskiej temperatury (-252,87 stop. C).

Najważniejszą zaletą magazynowania wodoru w postaci ciekłej zamiast gazowej, jest to, że zajmuje on znacznie mniejszą objętość.

Skroplony wodór znalazł zastosowanie jako paliwo rakietowe w silnikach spalinowych i ogniwach paliwowych. W trakcie spalania wodoru w silniku rakiety, wytwarzane są duże ilości energii z wydzieleniem wody oraz śladowych ilości ozonu i nadtlenku wodoru.

Typowe zastosowania wodoru

• Mieszanki argonu z wodorem są stosowane jako gazy osłonowe w spawaniu plazmowym i TIG. Mieszanki te stosuje się przede wszystkim przy spawaniu nierdzewnej stali austenitycznej i niektórych stopów niklu.
• Wodór w połączeniu z argonem może także być używany do produkcji mieszanek do cięcia plazmowego (głównie do stali nierdzewnej i aluminium). W hutnictwie szkła wodór stosuje się do polerowania krawędzi.
• Wodór stosuje się także w produkcji stali węglowych, metali specjalnych i półprzewodników.
• W elektronice jest on powszechnie stosowany jako czynnik redukujący i gaz nośny.
• Inne procesy wykorzystujące wodór to m.in. hydrorafinacja produktów naftowych, odsiarczanie spalin, obróbka cieplna metali oraz badania szczelności. Wodór używa się także w różnych procesach petrochemicznych i chemicznych.
• Wodór służy do zasilania płomienia w palnikach przemysłowych i laboratoryjnych.

Ogniwa PEM - jak działają ogniwa wodorowe?

Technologia PEM (Proton Exchange Membrane lub Polymer Electrolyte Membrane) polega na zasilaniu ogniw paliwowych czystym wodorem lub reformatem. Membraną w takiej sytuacji jest materiał polimerowy np. nafion. Charakterystyczną cechą ogniw PEM jest duża sprawność w produkcji energii elektrycznej – do 65% - oraz mała ilość wydzielanego ciepła. Dużą zaletą jest również dobra nadążność ogniwa w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom, a także krótki czas rozruchu. Własności te wynikają z niskiej temperatury reakcji zachodzącej w ogniwie: 60 – 100°C.

Elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów. Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło. Paliwo ‐ wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami ‐ jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz ‐ tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) ‐ podawany jest w sposób ciągły do katody.

Ogniwo paliwowe teoretycznie nie ulega rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają jego żywotność. Główne zastosowanie ogniw PEM to napędy pojazdów i budowa stacjonarnych lub przenośnych generatorów energii.

Zalety wodorowych ogniw paliwowych

Duża niezawodność – brak ruchomych części, wysoka jakość dostarczanej energii. Energia dostarczana przez ogniwa paliwowe jest bardzo odporna na zakłócenia.

Wodorowe ogniwa paliwowe są idealnym źródłem zasilania dla urządzeń medycznych, aparatury pomiarowej, komputerów itp. Ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką sprawnością i gęstością energetyczną.

Ogniwo paliwowe jest zawsze mniejsze i lżejsze od innych źródeł energii o porównywalnej mocy.

Sprawność ogniw paliwowych w generowaniu energii elektrycznej osiąga nawet 50%. W procesie kogeneracji, produkcji energii elektrycznej i ciepła, ogniwa paliwowe osiągają sprawność nawet 85%. W ogniwach paliwowych możemy stosować różnego rodzaju paliwa.

Ogniwa paliwowe mogą być zasilane każdym paliwem bogatym w wodór. Uzyskiwanie wodoru z paliwa może przebiegać wewnątrz ogniwa paliwowego, tzw. wewnętrzny reforming lub poza ogniwem w zewnętrznym urządzeniu zwanym: fuel reformer.

Dzięki zjawisku elektrolizy, wodór dla ogniwa paliwowego można wytwarzać korzystając ze źródeł energii alternatywnej. Zanieczyszczenia wynikające z produkcji energii "konwencjonalnymi" metodami są powodem degradacji środowiska naturalnego i powodem pojawiania się nowych chorób cywilizacyjnych. Ogniwo paliwowe produkuje 25 razy mniej zanieczyszczeń w porównaniu z generatorami spalinowymi.

W przypadku zasilania ogniwa paliwowego wodorem, ilość produkowanych zanieczyszczeń jest śladowa. Pojedyncze ogniwa paliwowe można łączyć ze sobą w celu osiągnięcia pożądanego poziomu generowanej mocy (skalowalność). Zespoły ogniw paliwowych o różnych kształtach stosuje się zarówno do zasilania pojedynczej żarówki, jak i do napędzania maszyn przemysłowych. Zastosowanie ogniw PEM obejmuje także napędy pojazdów i budowę stacjonarnych lub przenośnych generatorów energii.

Zasada działania wodorowego ogniwa paliwowego jest doskonale znana, a postęp dokonuje się obecnie w opracowywaniu materiałów na budowę elektrod, membran, uszczelnień oraz katalizatorów. Celem badań jest wydłużenie żywotności i sprawności ogniwa przy jednoczesnym obniżeniu kosztów jego produkcji. Ponadto, opracowywane są nowe technologie wytwarzania elementów ogniw poprzez zastąpienie obróbki mechanicznej precyzyjnymi technologiami natryskowymi. Efekty badań są już widoczne dla odbiorców końcowych: następuje wydłużenie cyklu życia ogniw paliwowych i jednoczesny spadek ceny produkowanej energii.

Oferta firmy DACPOL obejmuje nie tylko dostawę samych ogniw paliwowych, ale także gotowych systemów oraz wsparcie w zakresie pracy z technologią wodorową.

Najprostszy model współpracy to zaprojektowanie i zbudowanie ogniwa wodorowego dostosowanego do indywidualnych potrzeb użytkownika. Wymagania mogą dotyczyć nie tylko parametrów elektrycznych, lecz również wymagań środowiskowych i warunków pracy, zastosowania bądź specjalnego wykonania. Etap produkcji jest w rzeczywistości ostatnim etapem całego procesu, który rozpoczyna dokładne rozpoznanie potrzeb klienta i ustalenie kolejnych kroków projektowych.

Charakterystycznymi cechami ogniw dostarczanych przez DACPOL są:

• Wysoka gęstość energii, co jest związane z odpowiednio zaprojektowaną mikrostrukturą elementów składających się na stos,
• Uproszczona budowa sprawiająca, że stos jest bardziej kompaktowy, lżejszy i bardziej efektywny od podobnych rozwiązań,
• Skalowalność umożliwiająca budowanie większych rozwiązań (o większej mocy).

Oprócz dostawy samych ogniw wodorowych jako źródeł energii, DACPOL oferuje też możliwość zbudowania dla klienta kompletnego systemu zasilania na bazie wodoru. Rozwiązanie takie obejmuje ogniwo, wymiennik ciepła, przetwornicę oraz obudowę stanowiącą ochronę mechaniczną wraz z montażem. Pomożemy też przy doborze odpowiednich komponentów w sytuacji kiedy użytkownik posiada już część z elementów ww. systemu.