Konwencjonalna produkcja prądu elektrycznego z węgla lub gazu ziemnego wymaga ich spalenia. Uzyskane w wyniku spalenia tych paliw ciepło służy do zamiany wody w parę wodną, która napędza turbinę parową, zamieniając energię pary na ruch obrotowy turbiny. W generatorze energia mechaniczna zamieniana jest w prąd elektryczny trafiający do gniazdek u odbiorców. Ze względu na ograniczenia wynikające z praw termodynamiki, a dotyczące przemian woda-para wodna, sprawność wytwarzania prądu w tzw. obiegach parowych nie przekracza ~40-50%.
Korzystniejszym rozwiązaniem jest „bezpośrednia” zamiana energii chemicznej paliwa na energię elektryczną. Możliwości takie dają ogniwa paliwowe – urządzenia służące do bezpośredniej zamiany energii chemicznej paliwa w energię elektryczną. Podstawowymi elementami składowymi ogniw paliwowych są: anoda, katoda i elektrolit wypełniający przestrzeń pomiędzy nimi. Najważniejszą cechą ogniw paliwowych jest pominięcie bariery związanej z koniecznością przetwarzania energii mechanicznej pozyskanej przez spalenie paliwa w energię elektryczną za pomocą silników cieplnych. Ominięcie tego ograniczenia pozwala na osiągnięcie znacznie lepszej sprawności przemiany paliwo-energia elektryczna, ponieważ w ogniwach paliwowych osiąga się sprawności dochodzące do 80%.
Ogniwa paliwowe są urządzeniami, w których energia elektryczna wytwarzana jest na drodze reakcji utleniania dostarczanego z zewnątrz paliwa. W odróżnieniu od akumulatora i baterii energia elektryczna w ogniwie paliwowym nie jest magazynowana, tylko wytwarzana na bieżąco, a zatem nie wymagają one ładowania.
Ogniwa paliwowe można klasyfikować według różnych kryteriów. Ze względu na sposób wykorzystania paliwa można wyróżnić ogniwa bezpośrednie – do których wprowadza się bezpośrednio substraty (np. wodór i tlen), lub pośrednie – do których wprowadzane są półprodukty ulegające przemianie w substraty w samym ogniwie (ogniwa zasilane metanolem, metanem, biogazem oraz utleniaczem). Innymi kryteriami podziału ogniw są ich konstrukcje oraz temperatury pracy.
Do niewątpliwych zalet ogniw paliwowych należy zaliczyć bardzo wysoką sprawność, skalowalność poprzez powiększanie ilości połączonych jednostek podstawowych, czy też niewielkie koszty eksploatacji, które wynikają z braku elementów ruchomych. Nie są one wolne od wad, z których najważniejszą stanowią wysokie koszty produkcji oraz brak pełnej dojrzałości technologicznej. Niewątpliwie jednak ogniwa paliwowe, jako przyjazne środowisku źródła energii będą znajdywać coraz szersze zastosowanie zarówno w transporcie, jak i w przemyśle energetycznym.
Przygotował: Tomasz Radko
Zakład Gospodarki o Obiegu Zamkniętym