Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym

Z Wikipedii

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym, PAFC (ang. Phosphoric Acid Fuel Cell) - to 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 (423-473 K). 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%).

Spis treści 1 Budowa i zasada działania 2 Przykłady elektrowni 3 Przypisy 4 Bibliografia

[edytuj] 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 Pt (katalizator). 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:

Anoda:

Etapy pracy ogniwa PAFC:

1. absorpcja 1 cząsteczki O₂ 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°C 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 wg 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:

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:

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

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

[edytuj] Przykłady elektrowni

• już w 1977r. 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

[edytuj] Bibliografia

• Lewandowski, Witold M. Proekologiczne odnawialne źródła energii. WNT, W-wa 2006