Ogniwo paliwowe to urządzenie przetwarzające w procesach elektrochemicznych energię chemiczną paliwa (zazwyczaj wodoru) bezpośrednio w prąd elektryczny (strumień elektronów), bez wykonywania pracy mechanicznej – jak w układach tradycyjnych. Ze względu na pominiecie występujących przy tradycyjnym wytwarzaniu prądu elektrycznego procesów mechanicznych, cieplnych, gazodynamicznych i elektromagnetycznych, urządzenia te cechują się bardzo wysoką sprawnością (do 60%, a w przypadku skojarzonej generacji ciepła nawet do 80%).

W ogniwie paliwowym paliwo (wodór) dostarczane jest do anody, zaś utleniacz (tlen, powietrze) do katody. Na anodzie wodór oddaje elektron, będąc jednocześnie utlenianym elektrochemicznie do wody – która zostaje usunięta poza ogniwo. Uwolniony elektron staje się częścią strumienia elektronów (prądu elektrycznego o niewielkim napięciu – poniżej 1 [V] dla pojedynczego ogniwa), biegnącego obwodem zewnętrznym do katody. Prąd ten, po połączeniu ogniw w odpowiednio duże stosy, może być wykorzystany do zasilania odbiorników elektrycznych. Z kolei na katodzie tlen przyjmuje ładunek ujemny, zmieniając się w postać jonową. Jony przepływają w elektrolicie w kierunku anody – zamykając obwód elektryczny.

Elektrolit powinien cechować się dużą przepuszczalnością jonów, przy jednoczesnym braku przepuszczalności elektronów – w przeciwnym razie niemożliwy byłby zewnętrzny przepływ elektronów. Zasada działania ogniwa paliwowego jest odwrotnością elektrolizy, w której woda pod wpływem prądu elektrycznego rozkłada się na wodór i tlen.

Zaletą produkcji energii elektrycznej w ogniwach paliwowych jest znikoma emisja (mamy do czynienia z reakcją chemiczną zamiast spalania). Poza występującymi problemami technologicznymi oraz żywotnością ogniw, główną barierą rozwoju i powszechnego stosowania ogniw paliwowych są ich koszty. W przypadku instalacji większych mocy, w zależności od technologii kształtują się one na poziomie 3000 – 20 000 USD/ 1 kW mocy instalacji.

Stosowane są różne konstrukcje ogniw paliwowych, różniące się przede wszystkim rodzajem stosowanego elektrolitu:

- PEMFC – (Polimer Electrolite Membrane Fuel Cell / Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – z membraną polimerową;
- AFC – (Alkaline Fuel Cell) –ogniwa paliwowe z elektrolitem zasadowym;
- PAFC – (Phosforic Acid Fuel Cell) – ogniwa kwasu fosforowego;
- MCFC – (Molted Carbonate Fuel Cell) - ogniwa stopionych węglanów (wysokotemperaturowe);
- SOFC - (Solid Oxide Fuel Cell) ogniwa wysokotemperaturowe stałotlenkowe – elektrolit ma formę ceramicznego ciała stałego (wysokotemperaturowe).

Gaz ziemny może stanowić surowiec do produkcji wodoru zasilającego ogniwa paliwowe w zewnętrznym procesie (reforming parowy), który to wodór służy jako paliwo dla ogniw typu PEMFC, PAFC, lub też – w ogniwach wysokotemperaturowych (typu MCFC i SOFC) – reforming gazu ziemnego może zachodzić bezpośrednio we wnętrzu ogniwa (pod wpływem temperatury i z wykorzystaniem pary wodnej będącej produktem pracy ogniwa).

Do zasilania ogniw paliwowych wymagane jest dokładne odsiarczenie gazu, ze względu na negatywny wpływ siarki na katalizator anodowy. W związku z naturalnym występowaniem siarki w gazie ziemnym, a także używaniem związków siarki do nawaniania gazu (THT), stanowi to powszechnie występujący problem.

Należy zaznaczyć, iż wraz ze wzrostem temperatury pracy ogniwa wrażliwość na związki siarki maleje. Ogniwa MCFC są nawet 5 razy bardziej wrażliwe na związki siarki niż SOFC (ze względu na wyższą temperaturę ogniw SOFC). Problemem jest również wrażliwość ogniw paliwowych na tlenek węgla CO, powstający w procesie reformingu, przy czym ogniwa PEMFC mają tolerancję na poziomie kilku ppm, zaś najwyższą odporność wykazują ogniwa typu SOFC -  na poziomie tysięcy ppm.

Wobec powyższego, do bezpośredniego zasilania gazem ziemnym najbardziej perspektywiczne jest wykorzystanie ogniw typu SOFC.

W ogniwach typu SOFC elektrolitem jest ceramiczny tlenek cyrkonu (ZrO2), stabilizowany tlenkiem itru Y2O3. Temperatura pracy zawiera się w zakresie 650 -1000 °C.

Na anodzie zachodzi reakcja: H2 + O2- → H2O + 2e-
Natomiast na katodzie reakcja: O2 + 2e- → 2O2-

Ogniwa te posiadają wysoka sprawność (45-60%) oraz stosunkowo długi czas życia (do 40 000 godzin). Są też (w porównaniu do innych ogniw paliwowych) proste i tanie w konstrukcji (elektrolit na formę ciała stałego, nie wymagają stosowania metali szlachetnych np. platyny). Zaletą ogniw SOFC jest możliwość dość swobodnego ich kształtowania (stosowane są m.in. ogniwa płaskie, monolityczne, rurowe).

Szczególnie ciekawe wydaje się rurowe ogniwo SOFC, w którym powierzchnia (warstwa) wewnętrzna jest anodą (pracuje w kontakcie z paliwem), warstwa zewnętrzna jest katodą (pracuje w kontakcie z powietrzem/tlenem), zaś pomiędzy nimi znajduje się warstwa elektrolitu. Pojedyncze ogniwo ma średnicę 22 mm, długość 1,5 m, zaś grubości warstw następujące: anoda 100 µm, elektrolit 40 µm, katoda 2 mm. Ogniwa łączy się w bloki (stosy) specjalnymi łącznikami niklowymi.

Wysoka temperatura pracy ogniw SOFC pozwala wykorzystać ciepło odpadowe do zasilania urządzeń energetycznych wobec czego tego typu ogniwa mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle energetycznym (np. w sprzężeniu z turbiną gazową). Możliwe jest stworzenie układów o dużej mocy, rzędu megawatów, o bardzo dużej sprawności, sięgającej nawet 80%.

Do wad ogniw SOFC można zaliczyć: problemy z porowatością otwartą elektrolitu, problemy z uszczelnieniem stosu ogniw, wysoką temperaturę pracy, a w związku z tym - wymagania materiałowe stawiane materiałom konstrukcyjnym oraz konieczność pracy szeregu systemów wspomagających (podgrzewu, stabilizacji, chłodzenia itp.), a także skomplikowaną procedurę uruchomienia.

W ostatnich latach wielu producentów ogniw paliwowych rozpoczęło prace badawcze w celu przygotowania komercjalizacji ogniw paliwowych zasilanych gazem ziemnym, zarówno w wersjach o niskiej mocy (rzędu kilku kW), jak i dużych instalacji energetycznych, o mocach kilkuset kW i więcej.

W zakresie niewielkich mocy testowane były zarówno ogniwa polimerowe (PEMFC) – z układem uprzedniego oczyszczania i reformingu gazu ziemnego (ok. 85% konstrukcji), jak i stałotlenkowe (SOFC). W zakresie większych mocy testowane były obiekty oparte na technologii kwasowej (PAFC), węglanowej (MCFC) oraz stałotlenkowej (SOFC).

Jedynymi komercyjnie oferowanymi ogniwami paliwowymi przystosowanymi do zasilania gazem ziemnym są stworzone w Japonii urządzenia PureCell 200 / PureCell 400, obejmujące odpowiednio kogenerację 200 kW energii elektrycznej i 250 kW mocy cieplnej lub 440 kW mocy elektrycznej i 290 kW mocy cieplnej, z wykorzystaniem ogniwa starszej technologii kwasowej (PAFC). Na świecie sprzedano ok. 300 tego typu urządzeń. W układzie wykorzystany jest zewnętrzny system wytwarzania wodoru (reformingu gazu ziemnego) do zasilania ogniwa.

W 2018 roku w amerykańskim Georgia Institute of Technology opracowano technologię ogniwa paliwowego bazującego na rozwiązaniach SOFC, jednakże ze znacznym obniżeniem temperatury roboczej (do ok. 500 °C – poniżej temperatur roboczych silników spalinowych), co w związku z możliwością stosowania tańszych, powszechnie dostępnych materiałów konstrukcyjnych, może stanowić znaczący krok w kierunku komercyjnego rozwoju ogniw paliwowych zasilanych bezpośrednio metanem.

Osiągnięcie kosztów instalacji na poziomie 1000 USD/1 kW jest kluczowe dla otwarcia poważnego zainteresowania rynku ogniwami paliwowymi, które umożliwi komercjalizację rozwiązań na szeroką skalę i wzrost udziału tych ekologicznych źródeł energii w miksie energetycznym.

Źródła:

[1] http://www.ogniwa-paliwowe.info/sofc.php
[2] Energia XXII – Ciepło, Elektroenergetyka, Gaz Dodatek reklamowy do RZECZPOSPOLITEJ. nr 86 (5556) 11 kwietnia 2000 r. Nowoczesne technologie użytkowania gazu Siła napędowa rynku gazowego w Polsce
http://geoland.pl/dodatek/energia-xxii/nowoczesne-technologie-uzytkowania-gazu
[3] Stacjonarne ogniwa paliwowe, M. Chaczykowski, Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006 https://fluidsystems.pl/pl/d/7e6bcb54fcd989007f1ac11b5f28615c
[4] PureCell Heat and Power Solutiuon, folder UTC Power, http://www.iatroma.com/cataloghi/PureCell.pdf
[5] Doosan PureCell Model 400 datasheet http://www.doosanfuelcellamerica.com/download/pdf/catalog/pafc-400kw_us_en.pdf