Politechnika Warszawska
Politechnika Warszawska Uczelnia Badawcza

Nowy pomysł na ogniwo paliwowe

Słyszysz „paliwo przyszłości”, mówisz „wodór”. A co jeśli to może być kwas mrówkowy? Nad opracowaniem ogniwa paliwowego zasilanego kwasem mrówkowym o wysokiej stabilności i podwyższonej wydajności pracują naukowcy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW.

Ogniwo paliwowe

Ogniwo paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Do anody doprowadzane jest paliwo w postaci kwasu mrówkowego, do katody doprowadzany jest tlen (powietrze). Na anodzie dochodzi do utlenienia kwasu mrówkowego z wydzieleniem protonu i elektronu, a na katodzie do rekombinacji anionów tlenu z protonami do cząsteczek pary wodnej.

Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi generującymi energię elektryczną z reakcji chemicznej. Ogniwo, nad którym pracują politechniczni naukowcy jest ogniwem niskotemperaturowym, czyli takim pracującym w zakresie od temperatury otoczenia do 120ºC. Zaletą takiego ogniwa jest m.in. to, że może być dość często włączane i wyłączane, w przeciwieństwie do ogniw wysokotemperaturowych.

– Celem projektu była poprawa wydajności pracy ogniwa poprzez zmianę geometrii kanałów doprowadzających i rozprowadzających paliwo, w tym przypadku kwas mrówkowy (Direct Formic Acid Fuel Cell, DFAFC), do katalizatora, który znajduje się w warstwie przy membranie, czyli do warstwy dyfuzyjnej – tłumaczy dr Artur Małolepszy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW, kierownik projektu.

Wybór kwasu mrówkowego nie był przypadkowy. Paliwo ma wiele zalet.

– Kwas mrówkowy dużo łatwiej jest przechowywać i transportować ze względu na jego ciekły stan skupienia, co umożliwia łatwiejsze wdrożenie takiego paliwa do obecnej infrastruktury i upowszechnienie nowej technologii – mówi mgr inż. Monika Jałowiecka, doktorantka na WIChP PW. – Kolejną zaletą jest fakt, że objętościowa gęstość energetyczna kwasu mrówkowego jest większa od objętościowej gęstości energetycznej wodoru sprężonego pod ciśnieniem 70 MPa, co również pokazuje, że energia, którą moglibyśmy przechowywać i transportować w danej objętości, byłaby większa, gdybyśmy używali kwasu mrówkowego a sam proces dystrybucji byłby tańszy.  Ponadto kwas mrówkowy może być produkowany z dwutlenku węgla w procesie elektroredukcji, zapewniając neutralność emisyjną ogniwa paliwowego. – wyjaśnia.

Symulacja komputerowa

Pierwszym etapem prac nad nowym ogniwem paliwowym było modelowanie CFD transportu masy w nowej geometrii kanałów doprowadzających substraty. Prace nad intensyfikacją transportu reagentów do powierzchni reakcji były prowadzone pod przewodnictwem dr. hab. inż. Łukasza Makowskiego. Przeprowadzone symulacje pozwoliły na wybranie najkorzystniejszego wariantu geometrii.

Dystrybucja przed i po zastosowaniu elementów turbulizujących

Dystrybucja przed i po zastosowaniu elementów turbulizujących, Mass transport enhancement in direct formic acid fuel cell with a novel channel design, Jałowiecka i in., 2022, doi.org/10.1016/j.cej.2022.138474

– Symulacje w modelowaniu wykazały, że zasilając ogniwo trzymolowym kwasem mrówkowym na powierzchni reakcji stężenie paliwa spada aż dwukrotnie – mówi mgr inż. Monika Jałowiecka. – Jest to spowodowane nieefektywnym transportem dyfuzyjnym, który jest wolniejszy od transportu konwekcyjnego. By zwiększyć efektywność transportu paliwa wprowadziliśmy do ogniwa elementy turbulizujące, które mają za zadanie wymusić przepływ paliwa po stronie anodowej oraz powietrza po stronie katodowej w kierunku porowatych elektrod. To rozwiązanie spowodowało znaczne polepszenie dystrybucji paliwa na powierzchni reakcji i zwiększenie sprawności pracy tego ogniwa, poprzez eliminację dwóch stref niedoboru paliwa w ogniwie – kontynuuje.

Dodatkowo naukowcy zauważyli, że elementy turbulizujące wspomagają usuwanie pęcherzyków dwutlenku węgla, które tworzą się podczas reakcji, dzięki temu odblokowuje się powierzchnię katalizatora i tym samym zmniejszają się straty napięcia.

Weryfikacja wyników symulacji

Mając wybrany typ kanałów o odpowiedniej geometrii, badacze przygotowali kolektory i umieścili je w ogniwie w celu sprawdzenia danych uzyskanych podczas modelowania. Dodatkowo naukowcy wytworzyli katalizatory poprawiające aktywność i stabilność ogniwa.

– Charakterystyka prądowo-napięciowa jednoznacznie wykazała, że maksymalna moc ogniwa o nowej geometrii kanałów z wprowadzonymi elementami turbulizującymi została zwiększona nawet dziewięciokrotnie w porównaniu do tej uzyskiwanej w ogniwie o standardowej geometrii kanałów – mówi mgr inż. Monika Jałowiecka. – Do tej pory w literaturze odnotowywano maksymalnie dwukrotny wzrost przy zastosowaniu przegród. Na tak dobry wynik ma również wpływ różnica między objętościową gęstością energetyczną kwasu mrówkowego a wodoru. Dotychczas nie były prowadzone badania na ogniwach zasilanych kwasem mrówkowym. Dzięki naszym badaniom udało się wypełnić lukę badawczą, jednocześnie poprawiając pracę ogniwa – dodaje.

Kontynuacja prac badawczych

Obecnie naukowcy z Politechniki Warszawskiej prowadzą prace nad udoskonaleniem ogniwa, zarówno pod względem katalizatorów, jak i samej konstrukcji ogniwa.

– Skonstruowaliśmy i sprawdziliśmy pojedyncze ogniwo. Aby całe urządzenie mogło być zasilane musimy ustawić pojedyncze ogniwa w stosy, zwiększając w ten sposób generowaną moc. Tutaj pojawiają się kolejne wyzwania związane z dystrybucją paliwa, nie tylko w ramach pojedynczego ogniwa, ale w całych stosach – mówi dr Artur Małolepszy.

 

-

Projekt „Opracowanie ogniwa paliwowego zasilanego kwasem mrówkowym o wysokiej stabilności działania i podwyższonej wydajności” jest finansowany z grantu badawczego POB Konwersja i magazynowanie energii programu Uczelnia Badawcza - Inicjatywa Doskonałości, który realizowany jest na Politechnice Warszawskiej.

Skład zespołu badawczego:
dr Artur Małolepszy; dr hab. inż. Łukasz Makowski, profesor uczelni; dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka; mgr inż. Zuzanna Bojarska; mgr inż. Monika Jałowiecka