Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym, PAFC (ang. phosphoric acid fuel cell) – rodzaj ogniwa paliwowego w którym jako elektrolit wykorzystuje się kwas fosforowy.

W związku ze swoją wielkością, masą oraz znacznym czasem rozruchu, znajdują powszechne zastosowanie w rozwiązaniach do stałej zabudowy. Zaletą tego typu ogniw jest wysoka sprawność, rzędu 80%. Temperatura pracy PAFC wynosi 150-200 °C. Ciepło uzyskiwane za pomocą tego ogniwa wykorzystuje się w kogeneracji.

Ogniwa fosforanowe odkryto w latach osiemdziesiątych XX w. Obecnie na świecie pracuje kilkaset jednostek tego typu, o mocach od 50 kW do 200 kW (te ostatnie o sprawności rzędu 37%).

Budowa i zasada działania

Elektrolitem w ogniwach fosforanowych jest 100% kwas ortofosforowy (H3PO4), umieszczony w porowatym teflonowanym węgliku krzemu (SiC). Elektrody są wykonane z porowatego grafitu z domieszką platyny jako katalizatora. Para wodna powstająca na katodzie jest odprowadzana z nadmiarem utleniacza (O2 lub powietrza) i nie rozcieńcza elektrolitu.

Etapy reakcji zachodzących w ogniwie są następujące:

katoda: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
anoda: 2H2 → 4H+ + 4e-

Etapy pracy ogniwa PAFC:

  1. absorpcja 1 cząsteczki tlenu na katodzie i 2 cząsteczek wodoru na anodzie,
  2. jonizacja 2 atomów tlenu na katodzie i 4 atomów wodoru na anodzie,
  3. migracja 4 protonów przez elektrolit od anody do katody,
  4. rekombinacja na katodzie 2 jonów tlenu i 2 atomów wodoru do 2 jonów OH-, a następnie do 2 cząstek wody.

Zalety ogniw fosforanowych to: stosunkowo niska temperatura ich pracy – od 150 do 200 °C, tolerancja na CO2, który nie jest dla tych ogniw szkodliwy, a jedynie rozcieńcza elektrolit, oraz możliwość pracy w skojarzeniu – oprócz energii elektrycznej wytwarzają też ciepło. Wadami tych ogniw jest: stosunkowo mała sprawność elektryczna, bo 37-42% jeżeli paliwem jest gaz ziemny, konieczność wstępnego reformowania paliwa z zewnętrznym urządzeniu oraz konieczność usuwania CO2 do poziomu 3-5%. Reakcja konwersji paliwa do wodoru może przebiegać według jednego z dwóch przedstawionych poniżej mechanizmów: egzotermicznego lub endotermicznego:

  • w egzotermicznym utlenianiu paliwa gazowego w obecności katalizatora wydziela się ciepło, które może być wykorzystane do podgrzewania czynnika grzewczego opuszczającego układ ogniw paliwowych. Z jednego mola CH4 otrzymuje się dwa mole H2:
CH4 + O2 → CO2 + 2 H2
  • endotermiczna reakcja reformowania parowego zachodzi w obecności katalizatora niklowego przy p=0,1 MPa i t=750 °C. stosowana jest w systemach o dużej mocy, ze względu na potrzebę dostarczania energii cieplnej w procesie konwersji. Z jednego mola CH4 otrzymuje się cztery mole H2:
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

W przypadku innych węglowodorów reakcje ich reformingu parą wodną można zapisać:

CxHy + 2xH2O → xCO2 + (2x + 0,5y)H2

Po usunięciu CO2, spalanie H2 na anodzie tlenem z powietrza odbywa się już w typowy dla ogniw paliwowych sposób.

Przykłady elektrowni

  • w 1977 r. na Manhattanie, w oparciu o ogniwa fosforanowe, uruchomiono elektrownię o mocy 1 MW i sprawności 38%;
  • w 1991 roku w Tokio powstała największa swego czasu elektrownia tego typu na świecie – Tokyo Electric Power Company, o mocy 11 MW. Parametry ogniw pracujących w tej elektrowni są następujące: U=0,75 V/ogniwo, I=431 mA/cm², p=0,82 MPa, t=207 °C i gęstości mocy 0,323 mW/cm², a paliwem jest H2 uzyskany z konwersji CH4 ze związków ropopochodnych (np. nafty)[1].

Przypisy

  1. ↑ Fuel Cells and Their Applications in Dispersed Energy Systems (Utility Use), [w:] Karl V. Kordesch, Günter R. Simader, Fuel cells and their applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 1996, s. 181–206, DOI: 10.1002/352760653x.ch5, ISBN 978-3-527-60653-5 (ang.).

Bibliografia

  • Witold M. Lewandowski: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2006. ISBN 83-204-3112-3.