Technologia ogniw paliwowych zmierza w kierunku zrównoważonej energii

Wyobraź sobie rozwiązanie energetyczne, które efektywnie generuje energię elektryczną, jednocześnie wytwarzając niemal zerową emisję gazów cieplarnianych. Technologia ogniw paliwowych reprezentuje tę wizję, przekształcając energię chemiczną wodoru lub innych paliw bezpośrednio w energię elektryczną. Jedynymi produktami ubocznymi wykorzystania wodoru są energia elektryczna, woda i ciepło. Ogniwa paliwowe wykazują niezwykłą wszechstronność w zastosowaniach od dużych elektrowni po małe laptopy. Ale co dokładnie sprawia, że ​​ta technologia jest obiecująca i jakie przeszkody należy pokonać?

Ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w wielu sektorach, w tym w transporcie, budynkach przemysłowych/handlowych/mieszkalnych oraz w systemach odwracalnych do długoterminowego magazynowania energii w sieci:

• Transport:Pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi (FCV) stanowią realną alternatywę dla tradycyjnych silników spalinowych, szczególnie w przypadku pojazdów ciężkich, w przypadku których duży zasięg i szybkie tankowanie oferują znaczne korzyści.
• Stacjonarne wytwarzanie energii:Systemy te mogą dostarczać energię elektryczną i ciepło do budynków, poprawiając efektywność energetyczną, a jednocześnie zmniejszając zależność od dużych sieci elektroenergetycznych.
• Przenośna moc:Ogniwa paliwowe zasilają urządzenia elektroniczne, takie jak laptopy i drony, zapewniając dłuższy czas pracy w porównaniu z konwencjonalnymi akumulatorami.
• Magazynowanie energii:Systemy odwracalnych ogniw paliwowych mogą magazynować energię poprzez elektrolizę wody, przekształcając wodór z powrotem w energię elektryczną, gdy jest to konieczne, aby zrównoważyć zapotrzebowanie sieci.

Ogniwa paliwowe oferują wyraźne korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami spalania:

• Doskonała wydajność:Przekształcenie energii chemicznej bezpośrednio w energię elektryczną umożliwia osiągnięcie sprawności przekraczającej 60%, znacznie wyższej niż w przypadku silników spalinowych.
• Minimalna emisja:Wodorowe ogniwa paliwowe wytwarzają wyłącznie parę wodną, ​​co eliminuje emisję dwutlenku węgla i pomaga w walce ze zmianami klimatycznymi. Unikają także uwalniania szkodliwych substancji zanieczyszczających powietrze, takich jak tlenki azotu i cząstki stałe.
• Cicha wydajność:Dzięki niewielkiej liczbie ruchomych części ogniwa paliwowe działają niemal bezgłośnie, co czyni je idealnymi do środowisk wrażliwych na hałas, takich jak szpitale i obszary mieszkalne.

Działając podobnie do akumulatorów, ale nie wymagając ładowania, ogniwa paliwowe w sposób ciągły wytwarzają energię elektryczną, gdy są zasilane paliwem. Typowa jednostka składa się z dwóch elektrod (anody i katody) oddzielonych elektrolitem:

1. Paliwo wodorowe dostaje się do anody, podczas gdy tlen (z powietrza) przepływa do katody.
2. Na anodzie katalizator rozkłada cząsteczki wodoru na protony i elektrony.
3. Elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny, wytwarzając prąd elektryczny.
4. Protony migrują przez elektrolit do katody.
5. Na katodzie protony, elektrony i tlen łączą się, tworząc wodę i ciepło.

Instytucje badawcze na całym świecie skupiają się na rozwiązaniu trzech kluczowych wyzwań związanych z przyjęciem ogniw paliwowych:

Kluczowe strategie obejmują opracowywanie tanich komponentów stosowych, optymalizację procesów produkcyjnych i zmniejszanie zależności od drogich katalizatorów platynowych poprzez:

• Lepsze wykorzystanie katalizatora i materiałów alternatywnych
• Zaawansowane techniki produkcyjne do produkcji masowej
• Innowacyjne materiały membran i elektrod

Naukowcy chcą ulepszyć:

• Gęstość mocy w celu zmniejszenia rozmiaru i wagi systemu
• Efektywność energetyczna minimalizująca zużycie paliwa
• Szybkość reakcji w warunkach obciążenia dynamicznego

Docelowa żywotność różni się w zależności od zastosowania:

• 8000 godzin w przypadku pojazdów lekkich
• 30 000 godzin dla ciężkich samochodów ciężarowych
• 80 000 godzin dla stacjonarnych systemów zasilania

Wyzwania związane z trwałością obejmują łagodzenie korozji, zatrucia katalizatora i naprężeń mechanicznych wynikających z warunków operacyjnych.

W miarę ciągłego postępu technicznego i spadku kosztów ogniwa paliwowe będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w globalnych systemach energetycznych. Ich zdolność do zapewniania czystej i wydajnej energii w różnorodnych zastosowaniach czyni je kluczowym elementem przejścia na zrównoważone rozwiązania energetyczne.