«
»
FacebookGoogle+

Akumulatory i ogniwa paliwowe

Dod_12_2014_zasilanieMagazynowanie energii elektrycznej stanowi jedno z większych wyzwań we współczesnej energetyce

Oprócz tradycyjnych ogniw kwasowo-ołowiowych, które wciąż są przydatne w wielu zastosowaniach, rozwijane są akumulatory w nowych technologiach, lżejsze, o większej gęstości mocy i trwałości. Przewiduje się, że rozproszone magazyny energii (np. w postaci akumulatorów w samochodach elektrycznych) mogą stać się w przyszłości ważnym elementem systemu energetycznego. Artykuł przybliża dostępne na rynku technologie akumulatorów oraz ogniw paliwowych.

W elektroenergetyce akumulatory najczęściej stosowane są jako źródła energii elektrycznej:
• w zasilaczach prądu stałego i w zasilaczach UPS – jako rezerwowe źródło energii w przypadku zaniku zasilania podstawowego (z sieci elektroenergetycznej),
• w zespołach prądotwórczych i w pojazdach samochodowych – jako źródło energii do rozruchu silników napędowych,
• w układach automatyki i sterowania stacji elektroenergetycznych jako źródło zasilania,
• w wybranych obwodach, np. oświetlenia awaryjnego, systemów bezpieczeństwa, kontroli dostępu, urządzeń telekomunikacyjnych jako autonomiczne źródła zasilania podstawowego lub zapasowego.

Akumulatory kwasowo ołowiowe

W ofercie rynkowej znajduje się bardzo dużo różnych typów i rodzajów akumulatorów o różnej budowie i stosowanych materiałach konstrukcyjnych, o różnych parametrach i przeznaczeniu. W urządzeniach elektroenergetycznych, mimo ogromnego wyboru, najczęstsze zastosowanie znajdują akumulatory ołowiowo-kwasowe ze względu na niską cenę, prostą budowę i niewielkie koszty eksploatacyjne.

Rys. 1.  Europower EGR 70-12 – akumulator wykonany  w technologii żelowej;  o żywotności projektowanej  10-12 lat, przeznaczony do pracy buforowej oraz cyklicznej  w skrajnie trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura otoczenia, głębokie rozładowania i duża liczba cykli

Rys. 1. Europower EGR 70-12 – akumulator wykonany w technologii żelowej;
o żywotności projektowanej 10-12 lat, przeznaczony do pracy buforowej oraz cyklicznej
w skrajnie trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura otoczenia, głębokie rozładowania i duża liczba cykli

Akumulatory ołowiowo-kwasowe VRLA i AGM
W układach zasilania gwarantowanego powszechnie stosowane są akumulatory wykonywane w nowych technologiach, nazywane również, z racji swych właściwości, akumulatorami „bezobsługowymi”. Dzięki szczelnym obudowom i zamykającym je zaworom ciśnieniowym akumulatory te charakteryzują się:
• możliwością pracy w dowolnym położeniu z wyjątkiem pozycji zaworem do dołu,
• brakiem potrzeby uzupełniania elektrolitu przez cały okres eksploatacji,
• ograniczeniem wydzielania do otoczenia, w czasie normalnej pracy, gazów – zwłaszcza wodoru, co zmniejsza zagrożenie wybuchem,
• brakiem wydzielania korodujących par elektrolitu.
Akumulatory bezobsługowe wytwarzane są w dwóch technologiach: VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) i AGM (Absorbed Glass Mat). W akumulatorach VRLA elektrolit ma postać żelu utworzonego przez dodanie do niego krzemianów, zaś w technologii AGM elektrolit zgromadzony jest w mikroporach separatorów z włókna szklanego umieszczonych między płytami. W akumulatorach tych ciśnienie wewnątrz obudowy regulowane jest przez samouszczelniające się zawory w formie przepony działającej w jednym kierunku – na zewnątrz – w celu wyrównywania ewentualnej nadwyżki ciśnienia wewnętrznego i niedopuszczenia do rozerwania obudowy.
Spośród oferowanych ogniw i akumulatorów bezobsługowych zdecydowanie większą popularność i szersze zastosowanie mają wyroby wykonywane w technologii AGM. Mają one w porównaniu z akumulatorami VRLA mniejszą rezystancję wewnętrzną, co zapewnia wyższe napięcie wyjściowe i dłuższy czas eksploatacji, zwłaszcza przy rozładowaniu dużym prądem. Są znacznie tańsze niż ich żelowe odpowiedniki o tej samej pojemności. Akumulatory żelowe natomiast wytrzymują więcej cykli rozładowania / ładowania i są bardziej odporne na wibracje i wstrząsy. Akumulatory żelowe VRLA lepiej odprowadzają ciepło powstające w wyniku przepływu prądu w czasie ładowania i rozładowywania. Znajdują zastosowanie zwłaszcza do pracy cyklicznej, np. w pojazdach samochodowych, i do pracy na zewnątrz budynków przy znacznych wahaniach temperatur otoczenia.
Akumulatory w technologii AGM stosuje się głównie do pracy ciągłej – buforowej (zasilania awaryjnego-bezprzerwowego), gdzie bateria jest przyłączona do zasilacza i stanowi awaryjne źródło energii elektrycznej w przypadku zaniku napięcia w sieci zasilającej. Podstawowe różnice między technologią żelową i AGM przedstawione są w tabeli 1.
Zaletą akumulatorów w nowoczesnych technologiach jest brak wydzielania do otoczenia par kwasu siarkowego, działających korozyjnie na metalowe przedmioty i instalacje znajdujące się w ich pobliżu. Dzięki temu mogą być one instalowane w szafach razem z UPS-ami i w pomieszczeniach poza typowymi akumulatorniami.
Ogniwa i akumulatory bezobsługowe charakteryzuje bardzo wysoka powtarzalność parametrów, zwłaszcza z tej samej serii produkcyjnej. Ma to ogromne znaczenie przy tworzeniu baterii na 110 i 230 V i w układach UPS, gdzie łączy się szeregowo ogniwa 2 V lub bloki 12 V.
tab_1_zasilanie_2014
Cechy użytkowe i parametry akumulatorów

• Pojemność znamionowa akumulatora – pojemność ogniwa lub akumulatora wyrażana w amperogodzinach (Ah) wskazuje na ilość energii elektrycznej (ładunku elektrycznego), którą ogniwo lub akumulator może oddać w trakcie rozładowania do odpowiedniego poziomu napięcia końcowego. Podawana przez producenta pojemność znamionowa oznaczana literą C [Ah] dotyczy ogniw nowych. Jest ona podawana przy określonych warunkach użytkowania – temperaturze otoczenia, prądzie rozładowania w czasie T do napięcia końcowego Uk. W normach międzynarodowych podawane są zalecane czasy rozładowania T – 20 h, 10 h, 8 h, 5 h, 3 h, 1 h, 1/2 h i 1/4 h. Wśród producentów i użytkowników europejskich pojemność znamionowa akumulatora jest rozumiana jako pojemność 10-godzinna (T = 10 h) przy temperaturze 20oC przy końcowym napięciu wyładowania Uk = 1,8 V/ogniwo,
• Pojemność dyspozycyjna – pojemność, którą można uzyskać w określonych warunkach eksploatacji, zależy głównie od wartości prądu rozładowania i temperatury otoczenia w czasie rozładowania. Prąd rozładowania podawany jest zazwyczaj jako krotność pojemności znamionowej, np. I = 0,1 C. Im prąd rozładowania będzie większy, tym pojemność dyspozycyjna będzie mniejsza. Podobnie – im temperatura otoczenia będzie niższa, tym pojemność dyspozycyjna akumulatora też będzie mniejsza. Ponadto, im prąd rozładowania większy, tym większy jest niekorzystny wpływ niskiej temperatury,
• Napięcie końcowe (odcięcia) – napięcie końcowe Uk (napięcie odcięcia) to taka wartość napięcia akumulatora po rozładowaniu, przy której zachowuje on jeszcze znamionową pojemność i żywotność. Napięcie odcięcia akumulatora nie ma wartości stałej, zależy ona od wielkości prądu rozładowania. Jeżeli akumulator będzie rozładowany bardziej niż do zalecanej wartości napięcia odcięcia, to jego pojemność zmaleje i skróci się czas eksploatacji. W zasilaczach UPS akumulatory rozładowuje się nie ze stałym prądem lecz ze stałą mocą (zasilanych odbiorników). W czasie rozładowywania akumulatora ze stałą mocą, napięcie na jego zaciskach obniża się. Aby rozładowywać akumulator stałą mocą, w miarę rozładowywania musi wzrastać prąd rozładowania,
• Czas eksploatacji akumulatora – przewidywany czas eksploatacji akumulatora (żywotność) to czas pracy określany w czasie badań z wykorzystaniem metod statystycznych i podawany przez producenta dla określonych warunków eksploatacji. Za kres opłacalnej eksploatacji akumulatora uznaje się moment, w którym jego pojemność obniży się trwale do 80% jego znamionowej pojemności. W zależności od długości okresu eksploatacji akumulatory w technologii VRLA podzielone są na cztery grupy wiekowe (tabela 2).
tab_2_zasilanie_2014
• Rezystancja wewnętrzna – rezystancja wewnętrzna akumulatorów zależy przede wszystkim od: wieku akumulatora i zaawansowania procesów starzenia, stopnia zasiarczenia płyt, stopnia naładowania, prądu rozładowania. Rezystancja wewnętrzna podawana w katalogach akumulatorów to wartość umowna, pomierzona w dwóch ściśle określonych punktach pomiarowych na charakterystyce prądowo-napięciowej przy określonej temperaturze (20oC), w znormalizowanych warunkach rozładowania. Podawana rezystancja wewnętrzna dotyczy akumulatorów nowych i w pełni naładowanych, służy do celów obliczeniowych.
• Prąd zwarcia – prąd zwarcia akumulatora związany jest z jego rezystancją wewnętrzną i ustalany jest na podstawie tych samych pomiarów co rezystancja wewnętrzna, i również służy do celów obliczeniowych. Prąd zwarcia podawany jest w danych katalogowych. Niekiedy podawany jest również maksymalny krótkotrwały prąd 5-sekundowy wyładowania przy napięciu końcowym 1,85 V/ogniwo. Znajomość prądu zwarcia akumulatorów jest pomocna przy doborze aparatury zabezpieczającej i łączeniowej.

Baterie akumulatorów

W niewielkich jednofazowych zasilaczach UPS, zazwyczaj typu VFD, o mocach 200 VA do 300 VA, stosowany jest najczęściej jeden akumulator 12 V. W zasilaczach trójfazowych o mocach dochodzących do kilkuset kVA znajdują zastosowanie baterie akumulatorów o napięciu 300 do 400 V zestawione z kilkuset sztuk akumulatorów 12 V.
Szeregowe baterie akumulatorów (tzw. gałęzie szeregowe) budowane są w celu uzyskania wymaganego napięcia prądu stałego, zaś baterie równoległe w celu uzyskania większej mocy – większego prądu rozładowania. Baterie szeregowo-równoległe spełniają obydwa te cele. W niektórych rozwiązaniach UPS stosuje się baterie dwuczęściowe z punktem „środkowym”. Punkt środkowy baterii akumulatorów łączony jest z uziemionym przewodem neutralnym obwodu prądu przemiennego. W takim układzie falownik UPS wykorzystuje jedną część baterii do utworzenia dodatniej połowy okresu, zaś jej drugą część do wytworzenia ujemnej połowy okresu.
Baterie akumulatorów powinny być zabezpieczone przed skutkami zwarć zewnętrznych oraz przed nadmiernym prądem rozładowania.

Rys. 2. Ever Green Power – bezobsługowy akumulator ołowiowo-kwasowy dla zasilaczy bezprzerwowych UPS, w technologii AGM (Absorbed Glass Mat)

Rys. 2. Ever Green Power – bezobsługowy akumulator ołowiowo-kwasowy dla zasilaczy bezprzerwowych UPS, w technologii AGM (Absorbed Glass Mat)

Instalowanie akumulatorów

Z opisu współczesnych akumulatorów ołowiowo-kwasowych bezobsługowych wykonanych w technologii AGM z rekombinacją tlenu i VRLA z jednokierunkowymi zaworami ciśnieniowymi, nazywanymi również „regulacyjnymi” wynika, że cała ilość gazów (tlenu i wodoru) powstających w czasie ładowania buforowego i konserwacyjnego ulega rekombinacji, tworząc wodę, która uzupełnia ubytki elektrolitu. W czasie tych procesów powstające gazy nie wydostają się na zewnątrz obudowy, a ciśnienie wewnętrzne jest utrzymywane przez zawór regulacyjny. Te właściwości ogniw powodują, że są one całkowicie bezpieczne w czasie normalnej pracy (ładowanie – rozładowanie – ładowanie konserwacyjne) i mogą być instalowane:
• w wydzielonych pomieszczeniach lub budynkach akumulatorowni,
• w oddzielnej obudowie lub komorze wewnętrznej lub zewnętrznej,
• w pomieszczeniach użytkowych, w komorach lub na stojakach wewnątrz UPS-ów i innych urządzeń.
Akumulatory bezobsługowe nie powinny być instalowane w odległościach mniejszych niż 500 mm między wylotami zaworów regulacyjnych i częściami iskrzącymi lub nagrzewającymi się do temperatur wyższych od 300oC.
W celu uzyskania maksymalnej żywotności akumulatorów pracujących buforowo trzeba:
• instalować je z daleka od urządzeń nagrzewających się,
• zachować co najmniej 1,5 cm wolnej przestrzeni wokół baterii, aby zapewnić swobodny przepływ powietrza,
• zastosować efektywną wentylację – naturalną lub sztuczną,
• do ładowania akumulatorów stosować zasilacze z kompensacją temperaturową napięcia ładowania w przypadku wzrostu temperatury akumulatora powyżej 25oC.
Akumulatory wbudowane w urządzenia, np. w UPS-y, powinny być umieszczane na ich najniższym poziomie z zachowaniem możliwości nieograniczonej wentylacji.
Przy instalacji trzeba zwrócić uwagę, że łączenie szeregowo-równoległe akumulatorów różnych producentów, pojemności i dat produkcji jest niedopuszczalne, może bowiem spowodować uszkodzenie akumulatorów lub współpracujących z nimi urządzeń. Do łączenia akumulatorów należy stosować przewody o tej samej rezystancji w całej instalacji. Należy sprawdzić czy każda z gałęzi połączonych szeregowo ma takie same parametry, tzn. SEM i impedancję, i czy zapewniony jest równomierny rozpływ prądów do odbiorników.
ramka_1_zasilanie_2014
Wymagania eksploatacyjne

W celu uzyskania maksymalnej żywotności akumulatorów bezobsługowych muszą być przestrzegane podstawowe wymagania eksploatacyjne, do których należą – ładowanie, rozładowywanie oraz przeglądy okresowe i pomiary. Zazwyczaj, jeżeli wytwórca nie wskaże inaczej, akumulatory należy ładować metodą stałonapięciową z ograniczeniem początkowego prądu ładowania według tzw. charakterystyki IU. Początkowy prąd ładowania nie powinien być większy niż 0,3 C [A] (C – pojemność akumulatora wyrażona w Ah). Zalecane jest jednak, aby początkowy prąd ładowania nie przekraczał 0,1 C [A].
Napięcie ładowania w czasie pracy buforowej powinno mieścić się w zakresie od 2,25 do 2,30 V/ogniwo czyli w przypadku akumulatorów 12-woltowych w granicach 13,5 do 13,8 V. W akumulatorach przeznaczonych do pracy cyklicznej napięcie ładowania powinno mieścić się w zakresie 2,40 do 2,50 V/ogniwo.
W przypadku znacznych wahań temperatury w otoczeniu akumulatorów, do ich ładowania powinny być stosowane prostowniki z kompensacją temperaturową napięcia ładowania. Współczynnik kompensacji temperaturowej wynosi zazwyczaj minus 3,3 mV/oC/ogniwo powyżej 25oC. Napięcie ładowania powinno być stabilizowane, tak aby jego tętnienia nie przekraczały 1,5%.
Akumulatory bezobsługowe są bardzo wrażliwe na nadmierne, zbyt głębokie rozładowanie, które powoduje zmniejszenie zdolności magazynowania energii elektrycznej, zmniejszenie pojemności i skrócenie żywotności. W okresach 12-miesięcznych (wytwórcy zalecają okresy 6-miesięczne) od momentu uruchomienia należy kontrolować: napięcie ładowania ogniw, napięcie rozładowania akumulatorów i baterii, prąd ładowania baterii, temperaturę w pomieszczeniu, która nie powinna być wyższa od 25oC, pojemność baterii.
W trakcie eksploatacji akumulatorów bezobsługowych niezależnie od technologii ich wykonania należy zwracać uwagę na:
• niedoładowanie – jeżeli napięcie ładowania jest za niskie lub niedopasowane do temperatury, to cała bateria będzie niedoładowana przez długi czas. Przy awaryjnej pracy baterii w razie zaniku napięcia w sieci, bateria może pracować niewłaściwie ze względu na spadek pojemności,
• przeładowanie – ładowanie napięciem podwyższonym może spowodować m.in.: nadmierne gazowanie, utratę wody, gwałtowne podwyższenie temperatury, skrócenie żywotności, wzrost ciśnienia wewnętrznego i deformację obudowy,
• zbyt wysoką lub zbyt niską temperaturę otoczenia,
• za niskie napięcie rozładowania.

Rys. 3. Europower EPS 160-12 – akumulator wykonany w technologii AGM; o żywotności projektowanej:  10-12 lat. Zaprojektowany do pracy buforowej – zasilanie awaryjne – oraz cyklicznej. Wykorzystywany m.in. w energetyce, przemyśle, w systemach UPS

Rys. 3. Europower EPS 160-12 – akumulator wykonany w technologii AGM; o żywotności projektowanej: 10-12 lat. Zaprojektowany do pracy buforowej – zasilanie awaryjne – oraz cyklicznej. Wykorzystywany m.in. w energetyce, przemyśle, w systemach UPS

Akumulatory litowe

W ostatnim czasie coraz większym zainteresowaniem cieszą się akumulatory litowe różnych konstrukcji. Podstawowe wymagania w stosunku do odwracalnych ogniw litowych, to zwłaszcza:
• energia właściwa – powyżej 150 Wh/kg oraz 400 Wh/ dm3,
• wysokie napięcie pojedynczego ogniwa 3-4 V,
• odporność na dużą liczbę cykli ładowania/rozładowania (ponad 500),
• zachowanie trwałości po długim okresie przechowywania (ponad 5 lat),
• prawidłowe działanie w szerokim zakresie temperatur (co najmniej -30 do 60oC).
Obecnie produkowane akumulatory litowe mają o wiele lepsze parametry niż stawiane im minimalne wymagania. Znajdują coraz szersze zastosowania począwszy od elektroniki użytkowej do samochodów elektrycznych i samolotów. Spośród wielu oferowanych rozwiązań omówione zostaną te najpopularniejsze.

Akumulatory litowo-jonowe
W akumulatorach litowo-jonowych (Li-ion) materiały elektrodowe są nanoszone na bardzo cienkie folie miedziane lub aluminiowe. Elektrody oddzielone są separatorem. Elektrolitem są złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Napięcie tego rodzaju ogniw wynosi od 3,3 V/ogniwo do 3,8 V/ogniwo. Technologia ta pozwala na zgromadzenie dwa razy więcej energii niż w akumulatorach Ni-MH o tym samym ciężarze i wielkości. Efekty pamięci i leniwej baterii nie występują. Akumulatory litowo-jonowe mają szczelne obudowy zawierające elektroniczne układy kontrolne. Pracują w szerokim zakresie temperatur od -20 do +80oC. Mają jedną z największych mocy właściwych, w zależności od konstrukcji dochodzą one do 10 000 W/kg oraz energię właściwą około 180 Wh/kg. Charakteryzują się dużą niezawodnością i cyklicznością ładowanie/rozładowanie ponad 1000 cykli przy 100% głębokości rozładowania.
Akumulatory tego typu nie wymagają formowania. Należy unikać ich pełnego rozładowania, np. w laptopach czy telefonach komórkowych. Akumulator powinien być przechowywany w chłodnym miejscu lecz nie na mrozie. Przechowywanie w wysokich temperaturach przyspiesza proces starzenia.
Konstrukcja akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w pojazdach mechanicznych znacznie różni się od konstrukcji takiego samego typu ogniw zasilających urządzenia elektroniczne. Różnice spowodowane są przede wszystkim większymi wymaganiami trwałości – do 10 lat w pojazdach. Pakiety ogniw wyposażone są w urządzenia do ogrzewania i chłodzenia zapewniające optymalną temperaturę pracy. Ogniwa litowo-jonowe używane w pojazdach mechanicznych mogą być szybko ładowane, zazwyczaj od 0 do 80% pojemności w czasie 15 do 30 minut bez wpływu na ich trwałość.

Rys. 4.  SBL 7.2-12 AGM  firmy SSB –  szczelny akumulator  kwasowo-ołowiowy  typu AGM  z zaworami  bezpieczeństwa

Rys. 4. SBL 7.2-12 AGM firmy SSB – szczelny akumulator kwasowo-ołowiowy typu AGM
z zaworami bezpieczeństwa

Akumulatory litowo-polimerowe
W przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych, ogniwa litowo-polimerowe wykorzystują elektrolit w postaci stałej, którego podstawowym składnikiem jest polimer z rozpuszczonymi w nim solami litu. Użycie stałego elektrolitu podnosi odporność ogniwa na zwarcie i przeładowanie oraz eliminuje niebezpieczeństwo wycieków, co w znacznym stopniu podnosi bezpieczeństwo użytkowania. W działaniu akumulator Li-Poly jest podobny do akumulatora Li-ion. Zastosowanie polimerów umożliwia konstruowanie bardzo cienkich, płaskich i elastycznych ogniw (nawet o grubości milimetrowej). Ogniwa te są jednak bardzo nieodporne na przeładowanie; nawet niewielkie przeładowanie może doprowadzić do ich zniszczenia. Dlatego do kontroli procesu ich ładowania stosuje się złożone układy elektroniczne. Akumulatory tego typu charakteryzuje wysoka gęstość energii. Akumulatory litowo-polimerowe mogą występować w trzech wykonaniach – o wysokiej gęstości energii, dużej mocy i bardzo dużej mocy. Obecnie prowadzone są intensywne prace nad zastosowaniem akumulatorów litowo-polimerowych do samochodów z napędem elektrycznym i do samochodów hybrydowych.
ramka_2_zasilanie_2014
Akumulatory litowo-siarkowe Li-S
Przyszłościowym rozwiązaniem akumulatorów litowych są akumulatory litowo-siarkowe, w których anoda wykonana jest z litu, zaś katoda z mieszaniny siarki i wielosiarczku litu. Akumulatory tego typu charakteryzuje bardzo duża pojemność. Niska gęstość litu oraz umiarkowana gęstość siarki powodują, że akumulatory Li-S są lekkie, ich gęstość wynosi około 1 g/cm3. Akumulatory te mają znacznie większą pojemność niż odpowiadające im akumulatory litowo-jonowe. Obok licznych zalet akumulatory litowo-siarkowe mają wiele wad, np. szybko spadającą pojemność podczas kolejnych cykli ładowania / rozładowania. W wielu ośrodkach naukowych prowadzone są prace nad ich usunięciem.

Rys. 5. Ogniwo paliwowe – zasada działania (Źródło: www.ogniwa-paliwowe.info)

Rys. 5. Ogniwo paliwowe – zasada działania (Źródło: www.ogniwa-paliwowe.info)

Ogniwa paliwowe

Ogniwo paliwowe jest elektrochemicznymi urządzeniem, które wytwarza energię elektryczną bezpośrednio w czasie reakcji utleniania paliwa dostarczanego z zewnątrz, przy jednoczesnym ciągłym odprowadzaniu produktów tych reakcji. Substratami reakcji są zazwyczaj gazy i niekiedy ciecze. W ogniwach paliwowych zachodzą złożone reakcje katalityczne utleniania paliwa na anodzie i redukcji tlenu na katodzie. Paliwem jest zazwyczaj wodór lub węglowodory. Produktami tych procesów są: energia elektryczna, ciepło i woda. W przypadku użycia węglowodorów w celu uzyskania potrzebnego do reakcji wodoru, powstaje również dwutlenek węgla. W ogniwach paliwowych następuje więc spalanie paliwa i bezpośrednia zamiana energii chemicznej na energię elektryczną. Ogniwa paliwowe spalając wodór pracują ze znacznie wyższą sprawnością niż silniki cieplne. Można w nich uzyskać, z tej samej masy jednostkowej paliwa, prawie dwukrotnie więcej energii użytkowej niż w silniku cieplnym. Ogniwa paliwowe wykorzystując czyste paliwa – wodór, gaz ziemny czy metanol – emitują do atmosfery znacznie mniej zanieczyszczeń. W odróżnieniu od baterii i akumulatorów ogniwa paliwowe nie gromadzą i nie przechowują energii elektrycznej. Bez dostarczania paliwa proces wytwarzania energii elektrycznej się zatrzymuje.
Na rysunku 5 przedstawiony jest schemat i zasada działania ogniwa paliwowego. Ogniwo paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody oddzielone są od siebie (odizolowane) elektrolitem w postaci stałej lub płynnej. Rodzaj zastosowanego elektrolitu jest kryterium podziału ogniw. Wyróżnia się pięć podstawowych typów ogniw:
• alkaliczne ogniwa paliwowe (ang. Alkaline Fuel Cells – AFC),
• ogniwa paliwowe z membraną polimerową (Proton Exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC),
• ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (Phosphoric Acid Fuel Cells – PAFC),
• wysokotemperaturowe węglowe ogniwa paliwowe (Molten Carbonate Fuel Cells – MCFC),
• wysokotemperaturowe tlenkowe ogniwa paliwowe (Solid Oxide Fuel Cells – SOFC).
Spośród wymienionych typów ogniw paliwowych największe nadzieje aplikacyjne wiąże się z wysokotemperaturowymi tlenkowymi ogniwami paliwowymi i z niskotemperaturowymi ogniwami paliwowymi z membraną polimerową – PEMFC. Ogólne charakterystyki ogniw przedstawione są w tabeli 3.
tab_3_zasilanie_2014
Zasada działania ogniw typu PEMFC
Podstawowym rodzajem ogniw paliwowych są ogniwa typu PEMFC. W ogniwach tego rodzaju elektrody oddzielone są od siebie elektrolitem w postaci specjalnej membrany z cienkiej warstwy polimeru, przepuszczającej tylko jony dodatnie wodoru (protony) (H+). Elektrody mają zwykle postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie w wyniku oddziaływania na niego materiału katody powstaje dysocjacja elektrolityczna, czego wynikiem są jony dodatnie wodoru (protony H+) oraz elektrony (e-). Elektrony niosące ładunek ujemny przyciągane są przez anodę, a jony wodorowe dyfundują:
2H2 → 4H+ + 4e-
Półprzepuszczalna membrana przewodzi tylko protony, nie przewodzi natomiast innych jonów, zwłaszcza jonów tlenu od katody do anody. Elektrony docierają do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie odbiorników. Na katodzie tlen reaguje z elektronami, tworząc jony O2-:
O2 + 4e → 2O2-
Jony wodorowe H+ są zobojętniane zjonizowanym tlenem:
2O2- + 4H+ → 2H2O

Układy ogniw paliwowych
Pojedyncza cela ogniwa paliwowego wytwarza zbyt mało mocy wyjściowej (około 1-2 W/cm2) aby móc zasilać odbiorniki energii elektrycznej. Dlatego ogniwa paliwowe łączy się w większe jednostki, nazywane stosami. Ich napięcie i moc wyjściowa są odpowiednio zwielokrotnione. Zazwyczaj w stosie połączone są dziesiątki, a nawet setki pojedynczych ogniw.

Sprawność ogniw paliwowych
Sprawność ogniwa paliwowego zależy od pobieranej mocy – im pobierana moc jest większa, tym niższa jest sprawność ogniwa. Większość strat w ogniwie objawia się jako spadek napięcia. Sprawność można więc przedstawić jako funkcję napięcia zależną od obciążenia ogniwa. Typowe ogniwo pracujące przy napięciu 0,7 V ma sprawność około 50%.

Opracowano na podstawie
materiałów firmowych,
stron www i norm

Bibliografia – normy:
• PN-EN 50272-2: 2007 Wymagania dotyczące bezpieczeństwa baterii wtórnych i instalacji baterii Część 2: Baterie stacjonarne;
• PN-EN 50272-1: 2010 Wymagania bezpieczeństwa i instalowania baterii wtórnych. Część 1: Ogólne informacje dotyczące bezpieczeństwa;
• PN-EN 50272-2: 2007 Wymagania dotyczące bezpieczeństwa baterii wtórnych i instalowania baterii. Część 2: Baterie stacjonarne;
• PN-EN 62282-2: 2012E Technologia ogniw paliwowych: Część 2: Układy ogniw paliwowych;
• PN-EN 62282-3-100: 2012E Technologia ogniw paliwowych: Część 3-100: Systemy zasilania ze stacjonarnych ogniw paliwowych – Bezpieczeństwo;
• PN-EN 62282-3-300: 2013-04E Technologia ogniw paliwowych: Systemy zasilania ze stacjonarnych ogniw paliwowych – Instalacja;
• PN-EN 62282-5-1: 2013-06E Techn
ologia ogniw paliwowych: Część
5-1: Przenośne ogniwa paliwowe – bezpieczeństwo.

Aktualności

Notowania – GIE

Wyniki GUS

Archiwum

Elektrosystemy

Śledź nas