Rodzaje ogniw paliwowych i ich potencjalne kierunki wykorzystania

• Autorzy: Żyjewska Urszula

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.05.06

Warianty tytułu

EN

Types of fuel cells and their potential directions of use

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ogniwa paliwowe nie są technologią nową, ale zyskują na popularności i są intensywnie rozwijane. W artykule przedstawiono i scharakteryzowano różne rodzaje ogniw paliwowych będących obecnie w kręgu zainteresowania ośrodków naukowo-badawczych zajmujących się problematyką ochrony środowiska naturalnego. Są to ogniwa paliwowe typu: alkaliczne (AFC, ang. alkaline fuel cell), z kwasem fosforowym (PAFC, ang. phosphoric acid fuel cell), stałotlenkowe (SOFC, ang. solid oxide fuel cell), ze stopionym węglanem (MCFC, ang. molten carbonate fuel cell), z membraną do wymiany protonów (PEMFC, ang. proton exchange membrane fuel cell), w tym ogniwo zasilane bezpośrednio metanolem (DMFC, ang. direct methanol fuel cell). Porównano parametry pracy wymienionych ogniw paliwowych oraz opisano zasadę ich działania. Rosnące zainteresowanie urządzeniami wykorzystującymi wodór jako paliwo wynika również z rozwoju technologii power-to-gas (P2G). Ponadto w artykule przedstawione zostały potencjalne kierunki rozwoju i możliwości wykorzystania ogniw paliwowych w różnych dziedzinach i sektorach gospodarki. Ogniwa paliwowe mogą znaleźć zastosowanie np. w transporcie. Przedstawiono charakterystykę pojazdów samochodowych używanych w Unii Europejskiej, a także specyfikację techniczną samochodów osobowych komercyjnie dostępnych wykorzystujących ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów. Omówiono możliwość użycia ogniw paliwowych w transporcie zbiorowym (autobusy, pociągi). Przedstawiono możliwości pracy ogniw paliwowych w układach skojarzonych (wytwarzających energię elektryczną i ciepło na cele grzewcze i/lub chłodnicze). Rozważono wykorzystanie technologii ogniw paliowych w dużych jednostkach kogeneracyjnych oraz w układach mikro. Jednym z przedstawionych układów kogeneracyjnych jest połączenie ogniw paliwowych z turbiną gazową. Innym sposobem wykorzystania ogniw paliwowych jest magazynowanie energii w systemach EES. Interesującym rozwiązaniem mogą być również systemy power-to-power, które także zostały krótko scharakteryzowane.

EN

Fuel cells are not a new technology, but they are gaining in popularity and are being intensively developed. The article presents and characterizes various types of fuel cells that are currently of interest to research and development centers dealing with environmental protection issues. These include: alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), solid oxide fuel cell (SOFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), including direct methanol fuel cell (DMFC). The operating param- eters of the previously mentioned fuel cells were compared. The principle of operation of a fuel cell was described. The growing interest in devices using hydrogen as a fuel also results from the development of Power to Gas technology (P2G). Furthermore, the article presents the potential directions of development and use of fuel cells in various fields and sectors of the economy. Fuel cells can be used in transport. The characteristic of motor vehicles fleet by fuel type in usage in the European Union was presented. The technical specification of commercially available passenger cars using fuel cells with proton exchange membrane was presented. The possibility of using fuel cells in public transport (buses, trains) was discussed. The possibilities of operation of fuel cells in combined heat and power systems (CHP) were presented. Usage of fuel cell technology in large cogeneration units and micro systems was considered. One of the presented cogeneration systems is a combination of fuel cells with a gas turbine. Another possibility of using fuel cells is energy storage systems (EES). Interesting way of using fuel cells can also be Power to Power systems, which were briefly characterized.

Słowa kluczowe

PL

ogniwo paliwowe; wodór; alternatywne źródła energii

EN

fuel cell; hydrogen; alternative energy sources

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 5
• Strony: 332--339
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz.

Twórcy

autor

Żyjewska Urszula

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Alias M.S., Kamarudin S.K., Zainoodin A.M., Masdar M.S., 2020. Active direct methanol fuel cell: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 45(38): 19620-19641. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.202.
• Budak P., Szpunar T., 2020. Zmiany parametrów mieszaniny gazu ziemnego z wodorem w trakcie eksploatacji komory magazynowej w kawernie solnej. Nafta-Gaz, 11, 799–806. DOI: 10.18668/NG.2020.11.05.
• Camblong H., Baudoin S., Vechiu I., Etxeberria A., 2016. Design of a SOFC/GT/SCs hybrid power system to supply a rural isolated microgrid. Energy Conversion and Management, 117: 12–20. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.03.006.
• Chen M., Andreasen S.J., Rosendahl L., Kær S.K., Condra T., 2010. System Modeling and Validation of a Thermoelectric Fluidic Power Source: Proton Exchange Membrane Fuel Cell and Thermoelectric Generator (PEMFC-TEG). Journal of Electronic Materials, 39: 1593–1600. DOI: 10.1007/s11664-010-1270-9.
• Ciechanowska M., 2020a. Europejski Zielony Ład wyzwaniem dla transformacji polskiego przemysłu naftowego i gazowniczego. NaftaGaz, 10: 757–761. DOI: 10.18668/NG.2020.10.12.
• Ciechanowska M., 2020b. Program ramowy Horyzont Europa czynnikiem wspierającym transformację energetyczną kraju. Nafta-Gaz, 11:870–874. DOI: 10.18668/NG.2020.11.13.
• Ciechanowska M., 2020c. Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu. Nafta-Gaz, 12: 951–954. DOI:10.18668/NG.2020.12.09.
• Cook B., 2001. An introduction to fuel cells and hydrogen technology. Heliocentris, Vancouver, Canada.
• EAMA. Dane dotyczące samochodów. <https://www.acea.be/statistics/tag/category/passenger-car-fleet-by-fuel-type> (dostęp: 15.11.2020).
• Gao X., Andreasen S.J., Kær S.K., Rosendahl L.A., 2014. Optimization of a thermoelectric generator subsystem for high temperature PEM fuel cell exhaust heat recovery. International Journal of Hydrogen Energy, 39(12): 6637–6645. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.01.193.
• Huszal A., Jaworski J., 2020. Studies of the Impact of Hydrogen on the Stability of Gaseous Mixtures of THT, Energies, 13(23): 6441. DOI:10.3390/en13236441.
• Informacje prasowe 1. <http://pesa.pl/strategiczna-wspolpraca-pkn-orlen-i-pesa-bydgoszcz-przy-technologii-wodorowej/> (dostęp:27.11.2020).
• Informacje prasowe 2. <https://www.alstom.com/press-releases-news/2020/3/alstoms-hydrogen-train-coradia-ilint-completes-successfultests> (dostęp: 02.12.2020).
• Informacje prasowe 3. <https://www.alstom.com/press-releases-news/2020/5/successful-year-and-half-trial-operation-worlds-first-twohydrogen> (dostęp: 02.12.2020).
• Jaworski J., Dudek A., 2020. Study of the effects of changes in gas composition as well as ambient and gas temperature on errors of indications of thermal gas meters. Energies, 13: 5428. DOI: 10.3390/en13205428.
• Jaworski J., Kukulska-Zając E., Kułaga P., 2019. Wybrane zagadnienia dotyczące wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na elementy systemu gazowniczego. Nafta-Gaz, 10: 625–632. DOI: 10.18668/NG.2019.10.04.
• Jaworski J., Kułaga P., Blacharski T., 2020. Study of the effect of addition of hydrogen to natural gas on diaphragm gas meters. Energies, 13:3006. DOI: 10.3390/en13113006.
• Kirubakaran A., Jain S., Nema R.K., 2009. A review on fuel cell technologies and power electronic interface. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(9): 2430–2440. DOI: 10.1016/j.rser.2009.04.004.
• Kwan T.H., Katsushi F., Shen Y., Yin S., Zhang Y., Kase K., Yao Q., 2020. Comprehensive review of integrating fuel cells to other energy systems for enhanced performance and enabling polygeneration. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 128: 109897. DOI:10.1016/j.rser.2020.109897.
• Lucia U., 2014. Overview on fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30: 164–169. DOI: 10.1016/j.rser.2013.09.025.
• Łach M., 2016. Dokładność wyznaczania współczynnika ściśliwości gazu z podwyższoną zawartością wodoru – porównanie metod obliczeniowych. Nafta-Gaz, 5: 329–338. DOI: 10.18668/NG.2016.05.04.
• Materiały producenta 1: Hyundai. <https://www.hyundaiusa.com/us/en/vehicles/nexo/compare-specs> (dostęp: 18.11.2020).
• Materiały producenta 2: Toyota. <https://www.toyota.com/mirai/fcv.html> (dostęp: 18.11.2020).
• Materiały producenta 3: Honda. <https://automobiles.honda.com/clarity-fuel-cell> (dostęp: 18.11.2020).
• Materiały producenta 4: Hyundai. <https://www.hyundai.news/pl/marka/hyundai-xcient-fuel-cell-pierwsza-na-swiecie-ciezarowka-nawodor/> (dostęp: 18.11.2020).
• Mehrpooya M., Sadeghzadeh M., Rahimi A., Pouriman M., 2019. Technical performance analysis of a combined cooling heating and power (CCHP) system based on solid oxide fuel cell (SOFC) technology – A building application. Energy Conversion and Management, 198:111767. DOI: 10.1016/j.enconman.2019.06.078.
• Mekhilef S., Saidur R., Safari A., 2012. Comparative study of different fuel cell technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1): 981–989. DOI: 10.1016/j.rser.2011.09.020.
• Nazir H., Muthuswamy N., Louis C., Jose S., Prakash J., Buan M.E.M., Flox C., Chavan S., Shi X., Kauranen P., Kallio T., Maia G., Tammeveski K., Lymperopoulos N., Carcadea E., Veziroglu E., Iranzo A., Kannan A.M., 2020. Is the H2 economy realizable in the foreseeable future? Part III: H2 usage technologies, applications, and challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, 45(53): 28217–28239. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.07.256.
• Nojavan S., Majidi M., Zare K., 2017. Performance improvement of a battery/PV/fuel cell/grid hybrid energy system considering load uncertainty modeling using IGDT. Energy Conversion and Management, 147: 29–39. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.05.039.
• Perna A., Minutillo M., Jannelli E., Cigolotti V., Nam S.W., Yoon K.J., 2018. Performance assessment of a hybrid SOFC/MGT cogeneration power plant fed by syngas from a biomass down-draft gasifier. Applied Energy, 227: 80–91. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.08.077.
• Piskowska-Wasiak J., 2017. Doświadczenia i perspektywy procesu Power to Gas. Nafta-Gaz, 8: 597–604. DOI: 10.18668/NG.2017.08.07. Projekt 3Emotion. <https://3emotion.eu/about-project> (dostęp: 18.11.2020).
• Schuster T., Holewa-Rataj J., Kukulska-Zając E., 2019. Ocena jakości paliw gazowych w kontekście wprowadzania wodoru do sieci gazu ziemnego. Gaz, Woda i Technika Sanitarna: 42–46. DOI: 10.15199/17.2019.2.1.
• Sharma R.K., Mishra S., 2018. Dynamic Power Management and Control of a PV PEM Fuel-Cell-Based Standalone ac/dc Microgrid Using Hybrid Energy Storage. IEEE Transactions on Industry Applications, 54(1): 526–538. DOI: 10.1109/TIA.2017.2756032.
• Staffell I., 2015. Zero carbon infinite COP heat from fuel cell CHP. Applied Energy, 147: 373–385. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.02.089.
• Strategia, 2020. Strategia na rzecz Odpowiedzialnego Rozwoju do roku 2020 (z perspektywą do 2030 r.). <https://www.gov.pl/web/fundusze-regiony/informacje-o-strategii-na-rzecz-odpowiedzialnego-rozwoju> (dostęp: listopad 2020).
• Szewczyk P., Jaworski J., 2020. Analiza wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na szczelność połączeń mechanicznych wybranych elementów sieci i instalacji gazowych. Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego, 231: 1–134. DOI:10.18668/PN2020.231.
• Wojtowicz R., 2019. Analiza wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na pracę urządzeń gazowych. Nafta-Gaz, 8: 465–473. DOI:10.18668/NG.2019.08.03.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN IEC 62282-8-201:2020-10 Technologie ogniw paliwowych – Część 8-201: Systemy magazynowania energii wykorzystujące moduły ogniw paliwowych w trybie odwróconym – Procedury badań dla układów typu power-to-power.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).