Ogniwo wodorowe: budowa i elementy

Wyobraź sobie, że wyjaśniam ci, jak działa ogniwo wodorowe – ta kompaktowa technologia, która zamienia wodór w prąd bez dymu i hałasu. Skupimy się na jego prostocie: anodzie uwalniającej elektrony, katodzie łączącej je z tlenem oraz elektrolicie przewodzącego protony. Poznamy też reakcje chemiczne na elektrodach i odwrócony proces elektrolizy, który czyni je czystą alternatywą dla spalinowych silników.

• Jak działa ogniwo wodorowe krok po kroku
• Podstawowe elementy ogniwa wodorowego
• Anoda w ogniwie wodorowym
• Katoda ogniwa wodorowego
• Elektrolit w ogniwie paliwowym
• Reakcje chemiczne na elektrodach
• Odwrócona elektroliza w ogniwie wodorowym
• Mały rozmiar, wielkie możliwości
• Pytania i odpowiedzi: Budowa ogniwa wodorowego

Jak działa ogniwo wodorowe krok po kroku

Ogniwo wodorowe pobiera gazowy wodór na anodę, gdzie rozkłada się na protony i elektrony. Elektrony płyną zewnętrznym obwodem, napędzając silnik lub urządzenie. Protony przechodzą przez elektrolit do katody. Tam łączą się z tlenem z powietrza i elektronami, tworząc wodę. Cały proces generuje prąd stały bez spalania.

Podajesz wodór pod ciśnieniem do stosu ogniw, gdzie membrana oddziela strumienie gazów. Kompresor powietrza zapewnia tlen na katodzie. Chłodzenie zapobiega przegrzaniu. Wyjście to czysty prąd i para wodna.

Podstawowe elementy ogniwa wodorowego

Ogniwo wodorowe składa się z anody, katody i elektrolitu. Anoda utlenia wodór, katoda redukuje tlen, a elektrolit przewodzi jony. Bipolarne płyty rozdzielają komórki w stosie. Uszczelki chronią przed wyciekami gazów.

Zobacz także: Ogniwo wodorowe schemat: budowa i reakcje

Membrana polimerowa pełni rolę elektrolitu w typowych ogniwach PEM. Katalizatory platynowe przyspieszają reakcje. Grafitowe płyty przewodzą prąd i rozprowadzają gazy.

Anoda w ogniwie wodorowym

Na anodzie zachodzi utlenianie wodoru. Gaz H₂ adsorbuje się na katalizatorze platynowym. Rozpada na atomy, potem protony i elektrony. Elektrony tworzą prąd zewnętrzny. Powierzchnia anody musi być porowata dla dobrego kontaktu z gazem.

Warstwa katalizatora minimalizuje zużycie platyny. Anoda to kompozyt z węglem i polimerem. Zapobiega to zatykaniu się porów wodą.

Zobacz także: Jak zrobić ogniwo wodorowe w domu – krok po kroku

Katoda ogniwa wodorowego

Katoda przyjmuje tlen z powietrza i protony z elektrolitu. Redukcja tworzy wodę. Wyzwaniem jest wolna kinetyka reakcji, wymagająca więcej platyny. Struktura porowata ułatwia dyfuzję gazów.

Potencjał na katodzie wynosi około 0,4 V poniżej termodynamicznego. Nadmiar wody spływa grawitacyjnie. Optymalna wilgotność membrany jest kluczowa.

Elektrolit w ogniwie paliwowym

Elektrolit to protonowo-wymienna membrana, przewodząca H⁺ bez elektronów. Nafion, popularny polimer, pęcznieje w wodzie, tworząc kanały jonowe. Pracuje w temperaturze 60-80°C. Zapobiega mieszaniu gazów.

Grubość membrany to 20-100 mikrometrów. Wysoka przewodność wymaga nawilżenia. Starzenie powoduje pęcznienie i utratę wydajności.

Reakcje chemiczne na elektrodach

Na anodzie: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻. Reakcja egzotermiczna uwalnia 0 V standardowo. Katalizator obniża barierę.

Na katodzie: ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O. Potencjał 1,23 V. Wolniejsza kinetyka powoduje straty napięcia.

• Całkowita: H₂ + ½O₂ → H₂O, ΔG = -237 kJ/mol.
• Napięcie ogniwa: ok. 0,7 V w praktyce.

Odwrócona elektroliza w ogniwie wodorowym

Elektroliza rozkłada wodę prądem na H₂ i O₂. Ogniwo wodorowe odwraca to: gazy łączą się, dając prąd i wodę. Ta sama membrana PEM działa w obu kierunkach w reversyjnych ogniwach. Umożliwia magazynowanie energii.

Wysoka sprawność 50-60% czyni proces efektywnym. Brak emisji CO₂ podkreśla ekologię.

Mały rozmiar, wielkie możliwości

Ogniwo wodorowe mieści się pod maską auta, generując 100 kW. Stos wielu ogniw osiąga moc megawatów. Lekkie i ciche, idealne do pojazdów ciężarowych. Żywotność przekracza 5000 godzin.

Wodór z odnawialnych źródeł zamyka obieg zeroemisyjny. Przyszłość w transporcie i stacjonarnych generatorach.

Pytania i odpowiedzi: Budowa ogniwa wodorowego

• Z czego składa się budowa ogniwa wodorowego?

  Ogniwo wodorowe składa się z trzech głównych elementów: anody, katody oraz elektrolitu. Anoda i katoda to elektrody, między którymi znajduje się elektrolit przewodzący jony. Ta prosta konstrukcja działa jak odwrócona elektroliza wody, produkując prąd z wodoru i tlenu.

• Jaka reakcja zachodzi na anodzie w ogniwie wodorowym?

  Na anodzie zachodzi utlenianie wodoru: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻. Wodor podawany na anodę uwalnia protony, które przechodzą przez elektrolit, oraz elektrony, które płyną przez zewnętrzny obwód, generując energię elektryczną.

• Jaka reakcja zachodzi na katodzie ogniwa wodorowego?

  Na katodzie odbywa się redukcja tlenu: ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O. Protony z elektrolitu łączą się z tlenem i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc czystą wodę – jedyny produkt uboczny procesu.

• Jaka jest rola elektrolitu w ogniwie wodorowym?

  Elektrolit przewodzi wyłącznie jony protonowe (H⁺) z anody do katody, umożliwiając ciągły przebieg reakcji elektrochemicznych. Zapobiega mieszaniu się gazów i wymusza przepływ elektronów przez zewnętrzny obwód, co wytwarza prąd.