Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym, PAFC () – 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. Ciepło uzyskiwane za pomocą tego ogniwa wykorzystuje się w kogeneracji.

Ogniwa fosforanowe opracowano w latach 80. XX w. Na początku XXI w. na świecie pracowało kilkaset jednostek tego typu, o mocach od 50 do 200 kW (te ostatnie o sprawności rzędu 37%).

Budowa i zasada działania Elektrolitem w ogniwach fosforanowych jest 100% kwas fosforowy (), umieszczony w porowatym teflonowanym węgliku krzemu (SiC). Elektrody są wykonane z porowatego grafitu z domieszką platyny jako katalizatora. Para wodna powstająca na katodzie jest odprowadzana z nadmiarem utleniacza ( lub powietrza) i nie rozcieńcza elektrolitu.

Etapy reakcji zachodzących w ogniwie są następujące: katoda: anoda:

Etapy pracy ogniwa PAFC: absorpcja 1 cząsteczki tlenu na katodzie i 2 cząsteczek wodoru na anodzie, jonizacja 2 atomów tlenu na katodzie i 4 atomów wodoru na anodzie, migracja 4 protonów przez elektrolit od anody do katody, rekombinacja na katodzie 2 jonów tlenu i 2 atomów wodoru do 2 jonów , a następnie do 2 cząstek wody.

Zalety ogniw fosforanowych to: stosunkowo niska temperatura ich pracy – od 150 do 200 °C, tolerancja na , 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 do poziomu 3–5%.

Reakcja konwersji paliwa do wodoru może przebiegać według jednego z dwóch mechanizmów: 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 metanu otrzymuje się dwa mole wodoru: w endotermicznej reakcji reformowania parowego w obecności katalizatora niklowego przy ciśnieniu 0,1 MPa i temperaturze 750 °C, która stosowana jest w systemach o dużej mocy, ze względu na potrzebę dostarczania energii cieplnej w procesie konwersji. Z jednego mola metanu otrzymuje się cztery mole wodoru:

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

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

Przykłady elektrowni w 1977 roku 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 wodór uzyskany z konwersji metanu ze związków ropopochodnych (np. nafty).

Przypisy

Bibliografia

Kategoria:Ogniwa paliwowe