Fizyka dla każdego

Zakład Dydaktyki Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (ZDF UMK) uczestniczy w europejskim projekcie dydaktycznym pt. FCHgo! Odkryj energię wodoru. Projekt wprowadza problematykę energii do europejskich klas poprzez wspieranie edukacji w zakresie wodoru i ogniw paliwowych w szkołach. Problematyka jest niezwykle ważna z punktu widzenia technologicznego jaki i społecznego. Wiek XIX wiek był wiekiem silnika parowego,  wiek XX był okresem dominacji silnika spalinowego, natomiast XXI wiek będzie prawdopodobnie wiekiem ogniwa paliwowego. W pełni funkcjonalne i wydajne komórki paliwowe są obecnie bliskie wprowadzenia na rynek komercyjny, rewolucjonizując sposób, w jaki produkowana jest energia. Ogniwa paliwowe mogą wykorzystywać wodór jako paliwo, oferując perspektywę zaopatrzenia świata w czystą, zrównoważoną energię elektryczną. Bardzo możliwe, że w niedalekiej przyszłości wszystkie urządzenia elektryczne, począwszy od tych zasilanych zwykłymi bateriami, a skończywszy na przyrządach pobierających energię z sieci energetycznej, będą wykorzystywały energię produkowaną w ogniwach paliwowych. Co więcej, masowa produkcja samochodów działających w oparciu o ogniwa paliwowe staje się coraz bardziej realną perspektywą. Ogniwa paliwowe mogą niedługo stać się nieodłączną częścią naszego codziennego życia. 

Projekt FCHgo uzyskał wsparcie Europejskiego programu badań I innowacji Horizon 2020 pod egidą Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU). Projekt koordynuje Universytet Modena Reggio Emilia we współpracy z InEuropa srl, Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, Technical University of Denmark, Universytetem Mikołaja Kopernika i Steinbeis 2i GmbH.

W związku z realizacją projektu rozpoczynamy serię publikacji on-line przybliżających zagadnienie ogniw wodorowych i ich praktycznego wykorzystania. Pierwsza część poświęcona jest definicji ogniwa paliwowego oraz historii jego odkrycia.

Czym jest ogniwo paliwowe?

Ogniwo paliwowe z definicji jest ogniwem elektrycznym, czyli układem złożonym z dwóch metalowych płytek (elektrod) zanurzonych w cieczy przewodzącej prąd elektryczny (czyli w elektrolicie). Jednak w odróżnieniu od tradycyjnych ogniw (baterii, akumulatorów), w których energia musi zostać wcześniej zgromadzona wewnątrz tych urządzeń, ogniwa paliwowe nie muszą być ładowane. Każdy kto ma telefon komórkowy, wie że od czasu do czasu trzeba podładować ich baterię. W zależności od stanu baterii sam proces ładowania może trwać nawet kilka godzin – co może być uciążliwe dla użytkowników. Kierowcy samochodów doskonale zdają sobie sprawę, że częste problemy z „odpaleniem” auta wiążą się na ogół z akumulatorem – zwłaszcza w chłodne zimowe poranki. Bez „podładowania” akumulatora samochód nie ruszy. W przypadku ogniw paliwowych wszystkie te problemy znikną, ponieważ praca tych ogniw oparta jest na ciągłym przepływie paliwa, dzięki czemu moc elektryczna jest utrzymywana w nieskończoność. Paliwem takich ogniw może być dowolna substancja zawierająca wodór. Podstawą działania jest reakcja chemiczna przekształcająca gazowy wodór i tlen w wodę:

2H_2(gaz)+ O_2(gaz) --> 2H₂O + energia elektryczna + ciepło,                 (1)

a przy okazji wydzielana jest energia elektryczna i ciepło.

Ponieważ energia elektryczna wytwarzana jest w wyniku reakcji chemicznej produkującej wodę, a nie w wyniku spalania paliw węglowodorowych, ogniwa paliwowe mają wiele zalet w porównaniu do typowych silników spalinowych. Należą do nich cicha praca oraz wysoka sprawność – w ogniwach paliwowych nie występują termodynamiczne procesy przemiany, które w naturalny sposób obniżają wydajność silników spalinowych. Ponadto ogniwa paliwowe nie emitują zanieczyszczeń. W silnikach spalinowych, produktem ubocznym spalania paliw obok wody jest „brudny” dwutlenek węgla (CO₂). Aby zredukować jego występowanie należy dążyć do używania paliw ze zwiększoną zawartością wodoru. Wraz ze wzrostem zawartości wodoru w paliwie, wytwarzanie wody staje się bardziej znaczące, co powoduje proporcjonalnie niższą emisję dwutlenku węgla. Wydaje się, że w  swojej historii ludzkość w sposób stopniowy i częściowo nieświadomy przechodziła do stosowania paliw o coraz większej zawartości wodoru, zob. Rys. 1. Naturalna ekstrapolacja tego trendu pozwala wnioskować, że ostatecznym paliwem przyszłości będzie właśnie czysty (100% ) wodór [1]. Należy dodać, że wodór (konkretnie jego jądro) jest najpowszechniej występującym paliwem we Wszechświecie– jest źródłem energii w gwiazdach, również w naszym Słońcu, w których wnętrzach zachodzi reakcja fuzji jądrowej zamieniającej wodór w hel. Reakcje te produkują ciepło i światło, dzięki którym rozwinęło się życie na Ziemi.  Ze względu na stale i szybko rosnące zapotrzebowanie ludzkości na energię,  naukowcy  próbują wytworzyć sztuczne Słońce na Ziemi budując reaktory termojądrowe [2]. Takie reaktory zasilane wodorem byłyby najefektywniejszymi źródłami energii jakie kiedykolwiek udałoby się ludzkości zbudować.

Rys. 1 Trend w stosowaniu paliw. Wraz z upływem czasu zwiększa się procentowa zawartość wodoru w stosowanym paliwie [1].

Jeśli wodór dla ogniw paliwowych pozyskiwany byłby z odnawialnych źródeł energii (wiatr, promieniowanie słoneczne, opady, pływy morskie, fale morskie, geotermia), wówczas taka metoda wytwarzania energii byłaby w pełni zgodna z ideą tzw. zrównoważonej polityki energetycznej [3]. Według tej ogólnej geopolitycznej strategii energia powinna być pożytkowana w taki sposób aby zaspokajać współczesne potrzeby ludzkości, ale również tak, aby nie zagrażać zdolności przyszłych pokoleń do zaspokajania własnych potrzeb. Wydaje się, że rozwiązaniem będącym w zasięgach naszej współczesnej technologii, które pozwoliłoby realizować tę strategię efektywnie, jest częściowe oparcie energetyki światowej na źródłach energii odnawialnych z ogniwami paliwowymi.

Bateria „gazowa” – pierwsze ogniwo paliwowe

Zasada działania ogniwa paliwowego została odkryta przypadkowo w 1839 roku przez Brytyjczyka, prawnika i samouka, Wiliama Grove’a [4].

Rys. 2 Zasada działania elektrolizera - pokazana po lewej stronie; ogniwo paliwowe- pokazane po prawej stronie [1].

Zajmował się on badaniem właściwości „tradycyjnego” elektrolizera (Rys. 2(a)) złożonego z dwóch platynowych elektrod umieszczonych wewnątrz szklanych tub zamkniętych z jednej strony i otwartych z drugiej. Tuby zanurzone były końcami otwartymi w wodnym roztworze kwasu siarkowego, który częściowo wypełniał ich objętość. Napięcie przyłożone do obydwu elektrod powodowało przepływ prądu przez układ, któremu towarzyszyła elektroliza wody, czyli jej rozpad na wodór i tlen – proces odwrotny do reakcji opisanej równaniem (1). Grove przypadkowo zwarł ze sobą dwie elektrody w takim układzie (Rys. 2(b)) i zauważył występowanie przepływu prądu w odwrotnym kierunku niż w elektrolizerze. Przepływowi temu towarzyszyło zużywanie gazów, wodoru i tlenu, które wcześniej zgromadziły się w obydwu tubach nad powierzchnią cieczy. Układ ten nazwany został baterią „gazową” i wytwarzał napięcie rzędu 1V.

Rys. 3 Łańcuch gazowy Grove’a zasilający elektrolizer . Jest to oryginalny rysunek wykonany przez Wiliama Grove’a, który ukazał się na 272 stronie Philosophical Magazine and Journal of Science (1843), na której opublikowano list Williama Grove's  pt. "On the Gas Voltaic Battery." – według [5].

W 1842 r. Grove połączył baterie w szereg, tworząc „łańcuch gazowy”. Użył energii elektrycznej wytworzonej z łańcucha do zasilania elektrolizera, rozdzielając wodę na wodór i tlen (rys. 3). Jednak z powodu problemów z korozją elektrod i niestabilnością materiałów ogniwo paliwowe Grove nie było zbyt praktyczne. W rezultacie przez wiele lat nie prowadzono wielu badań i dalszy rozwój ogniw paliwowych został zahamowany na długi czas. Przełom nastąpił dopiero w latach 30-tych XX wieku o czym będzie mowa w kolejnych częściach tego cyklu publikacji.

Aby zrozumieć, w jaki sposób reakcja syntezy wodoru i tlenu wytwarza prąd elektryczny, musimy przyjrzeć się dokładniej reakcjom chemicznym zachodzącym na każdej elektrodzie. Reakcje te mogą mieć jednak bardzo różny charakter w zależności od typu ogniwa paliwowego i rodzaju użytych elektrod. Ogniwo Grove wykorzystujące wodny roztwór kwasu siarkowego  pozostaje najprostszym i wciąż najbardziej powszechnym typem komórki wodorowej, dlatego wygodnie jest omówić metodę produkcji prądu w ogniwach paliwowych właśnie na podstawie baterii „gazowej”.

Na anodzie ogniwa paliwowego z elektrolitem kwasowym wodór gazowy ulega jonizacji, uwalniając elektrony i tworząc jony H⁺(czyli protony):

2H₂ -->4H⁺+ 4e^-.                (2)

Reakcji tej towarzyszy wyzwolenie energii. Na katodzie, tlen reaguje z elektronami z tej elektrody i jonami H⁺z elektrolitu produkując wodę:

O₂ + 4e^-+ 4H⁺--> 2H₂O.                 (3)

Oczywiście, aby obie reakcje przebiegały w sposób ciągły, elektrony wytwarzane na anodzie muszą przejść przez obwód elektryczny do katody. Ponadto jony H⁺muszą przejść przez elektrolit. Kwas jest płynem z wolnymi jonami H⁺i dlatego bardzo dobrze służy temu celowi. Pewne polimery mogą być również wykonane tak, aby zawierały ruchome jony H⁺. Materiały te nazywane są membranami wymiany protonów, ponieważ jon H⁺jest również protonem.

Ciąg dalszy w przyszłym tygodniu….

Autor: Kamil Fedus

Literatura

[1] B. Cook, An Introduction to Fuel Cells and Hydrogen Technology, Engineering Science and Education Journal 11 (6): 205 - 216 · (2003), 

[2] http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Karwasz/Plazma_2019.pdf

[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Zrównoważona_energia

[4] https://pl.wikipedia.org/wiki/William_Grove

[5] https://americanhistory.si.edu/fuelcells/origins/orig1.htm