Działanie i konserwacja ogniwa paliwowego

Zasada działania ogniwa paliwowego została odkryta w 1838 roku przez niemiecko-szwajcarskiego fizyka Christiana Friedricha Schönbeina. Umieścił on dwa platynowe druty w kwasie siarkowym (elektrolicie) z wodorem i tlenem i zauważył, że między drutami występuje napięcie elektryczne. W badaniach brał udział również brytyjski fizyk Sir William Grove. Już wtedy wielu naukowców postulowało, że woda może być węglem przyszłości. Ale oczywiście również wtedy do produkcji wodoru potrzebna była energia elektryczna. W idealnym przypadku mówimy teraz o zielonym wodorze produkowanym z energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych.

Ogniwo paliwowe to konwerter energii. Energia reakcji chemicznej wodoru i tlenu jest przekształcana w energię elektryczną i cieplną. Utlenianie wodoru i redukcja tlenu odbywa się poprzez separację przestrzenną za pomocą elektrolitu. Gwałtowna reakcja znanego „testu tlenowo-wodorowego” lub energia uwalniana, gdy wodór i tlen reagują, tworząc wodę, może być wykorzystana.
Istnieją różne typy ogniw paliwowych, które jako paliwo wykorzystują na przykład gaz ziemny lub metanol, a także inne elektrolity lub środki utleniające. Najpopularniejszym typem ogniw stosowanych w samochodach osobowych i ciężarowych są jednak ogniwa paliwowe wodorowo-tlenowe, na przykład niskotemperaturowe ogniwa paliwowe PEM (proton exchange membrane fuel cell, PEMFC).

Najważniejszym elementem ogniwa paliwowego PEM jest stos. Stosy zawierają połączone szeregowo membrany do wymiany protonów, które są przepuszczalne dla protonów, podczas gdy transport wodoru i tlenu jest niemożliwy. Pojedyncza membrana (stały elektrolit) składa się z centralnej folii, do której naprzemiennie przykładane są elektrody (anoda (-) / katoda (+), w tym katalizator. PEM jest zamknięty w warstwie dyfuzyjnej otwartej na gaz.

Tak zwane płytki bipolarne są rozmieszczone w stosie wokół jednostek elektroda-membrana. Termin „dwubiegunowy” odnosi się zatem do płyty anodowej przenoszącej wodór i płyty katodowej przenoszącej tlen. Płytki dwubiegunowe służą do jednorodnego rozprowadzania wodoru i tlenu, uszczelniania na zewnątrz, chłodzenia ogniwa paliwowego i elektrycznego połączenia ogniw. Charakteryzują się one złożonymi kanałami i są zwykle wykonane z grafitu, metalu lub materiałów kompozytowych.

W centrum ogniwa paliwowego PEM znajduje się membrana w kształcie prostokątnej płyty, otoczona płytkami dwubiegunowymi. Anoda jest zasilana wodorem, a katoda tlenem. Obie elektrody są ze sobą połączone. Katalizator z metalu szlachetnego rozszczepia cząsteczki gazu. Cząsteczki wodoru (H2) są dzielone na dwa protony. Każdy atom wodoru uwalnia swój elektron. Teraz protony migrują przez półprzepuszczalną membranę do przeciwległej, naładowanej dodatnio katody, podczas gdy elektrony pokonują trasę przez przewód łączący anodę i katodę. Gdy protony i elektrony wodoru dotrą do katody, znajdujący się tam tlen wytwarza w reakcji wodę. Produktem ubocznym tej reakcji chemicznej jest ciepło i energia elektryczna. Napięcie można pobierać na płytach końcowych lub na styku anody i katody.

Na przykład specjalne filtry powietrza chronią przed nawet najmniejszymi cząsteczkami. Aby adsorbować szkodliwe gazy z powietrza, filtr jest dodatkowo wyposażony w warstwy węgla aktywnego lub inne adsorbery. Wiążą one szkodliwe gazy i chronią ogniwo paliwowe. Wymagania dotyczące filtracji powietrza są znacznie wyższe dla ogniw paliwowych niż dla silników spalinowych.

Jeśli powietrze jest zbyt suche, membrana w stosie ogniw paliwowych wysycha. Może to zmniejszyć wytrzymałość mechaniczną membrany, która jest odpowiedzialna za transport protonów. Woda będąca produktem reakcji może być przenoszona z powietrza wylotowego (strona wilgotna) do powietrza nawiewanego (strona sucha ogniwa paliwowego) za pośrednictwem nawilżacza.

Jeśli jednak wilgotność powietrza jest zbyt wysoka, może skraplać się w kropelki wody. Mogą one blokować drobne struktury warstwy dyfuzyjnej gazu lub warstwy mikroporowatej. Krople wody uderzające w turbinę sprężarki elektrycznej mają również negatywny wpływ na trwałość ogniwa paliwowego. Z tego powodu stosowane są dodatkowe separatory wody.

Temat akustyki jest interesujący w przypadku ogniwa paliwowego, ponieważ nie mamy tu do czynienia z komponentami mechanicznymi, jak w przypadku silnika spalinowego. W rzeczywistości odgłosy mogą występować w sprężarce elektrycznej lub jako odgłosy przepływu w rurach. Odpowiednie rezonatory tłumią niepożądany hałas.

Sam stos ogniw paliwowych nie wymaga (teoretycznie) serwisowania, a jego okres żywotności wynosi bardzo wiele godzin. Trzeba jednak wymieniać regularnie elementy filtrujące. W wymienniku jonowym znajduje się granulat, który zapewnia przewodność chłodziwa w odpowiednim zakresie. Również granulat ten wymaga regularnej wymiany. To samo dotyczy katodowego filtra powietrza. Należy go również regularnie wymieniać. Do tego dochodzi obwód chłodzenia. Tutaj znajdują się inne istotne dla serwisu komponenty: filtr wymiennika jonowego i filtr cząstek chłodziwa. Oznacza to, że warsztatom samochodowym i ciężarowym nie powinno zabraknąć pracy, nawet podczas serwisowania pojazdów z ogniwami paliwowymi.

Pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi, zwłaszcza samochody ciężarowe, pokazują swoje mocne strony tam, gdzie wymagany jest duży zasięg (np. na długich dystansach) i krótki czas tankowania. Można je zatankować w zaledwie kilka minut. Jeśli weźmie się pod uwagę tak zwane podejście Well2Wheel (od produkcji wodoru do energii napędowej), eksperci szacują, że ogniwo paliwowe osiąga wydajność od 30 do 40 procent. Paliwa syntetyczne (również oparte na zielonym wodorze) mają sprawność w zakresie od 20 do 40 procent. Przy 60 do 70 procentach, pojazdy elektryczne na baterie wykazują znacznie wyższe wartości, ale obecnie nadal podlegają ograniczeniom pod względem czasu ładowania i zasięgu. Zasadniczo jednak wartości te zależą w dużej mierze od technologii, warunków panujących w danym miejscu, źródła energii i innych czynników. Szybki postęp technologiczny może nadal mieć duży wpływ na wydajność każdej z trzech technologii w przyszłości.
Jednak wodór jako paliwo stanowi bardzo interesującą okazję do oddzielenia produkcji ekologicznego wodoru od jego wykorzystania zarówno pod względem lokalizacji, jak i czasu, a tym samym do zaoferowania wydajnych i przyjaznych dla środowiska systemów napędowych. Ogniwo paliwowe jest zatem bardzo interesującą opcją jako napęd mieszany przyszłości.