Ogniwa paliwowe to innowacyjna metoda generowania energii elektrycznej. Pozwala ograniczyć emisję szkodliwych gazów, jednocześnie zwiększając efektywność całego systemu prądnicy. Druk 3D umożliwia znaczne zwiększenie jej efektywności.

Czym są ogniwa paliwowe?

W dużym uproszczeniu są to miniaturowe generatory energii elektrycznej. Chociaż niewiele osób o nich słyszało, to stosowane są w bardzo wielu branżach gospodarki. Stosuje się je wszędzie tam, gdzie wymagana jest produkcja dużych ilości prądu przy jednoczesnej minimalizacji wielkości samego generatora. Dodatkowo stosowanie ogniw paliwowych umożliwia ograniczenie lub w określonych przypadkach całkowite wyeliminowanie emisji szkodliwych gazów. Ze względu na swoje fenomenalne właściwości stosuje się je wszędzie tam, gdzie konwencjonalne generatory prądu nie zdałyby egzaminu. Ogniwa paliwowe zapewniają zasilanie między innymi w niektórych promach kosmicznych, w stacjach pogodowych oraz badawczych, które znajdują się w odległych i trudnodostępnych lokalizacjach. Niemcy do dnia dzisiejszego produkują okręty podwodne klasy 212, które napędzane są właśnie przy ich pomocy. Obecnie najłatwiej możemy je spotkać w samochodach o napędzie wodorowym oraz w niektórych wózkach widłowych. Branża automotive wiąże z tą technologią bardzo duże nadzieje, co widać po rosnącej gamie pojazdów wyposażonych w taki napęd. Mercedes-Benz F-Cell, Honda Clarity, Hyundai ix35 FCEV, czy Toyota Mirai to tylko jedne z nielicznych przykładów. To właśnie to ostatnie auto budzi największe zainteresowanie na rynku. Jego nazwa nie jest dziełem przypadku – „Mirai” to po japońsku „przyszłość”. Sama Toyota nie kryje silnego zainteresowania wodorowymi ogniwami paliwowymi, które mają świetnie uzupełniać ich dotychczasową ofertę samochodów elektrycznych i hybrydowych.

W jaki sposób działają ogniwa paliwowe?

Elementarna zasada działania tych urządzeń polega na zamianie energii chemicznej oraz termicznej w energię eklektryczną. Urządzenia te składają się z anody, katody oraz zawartego pomiędzy nimi elektrolitu. Po doprowadzeniu do nich paliwa w wyniku reakcji przez ogniwa paliwowe zaczyna przepływać napięcie elektryczne.

Wyróżniamy wiele rodzajów ogniw paliwowych, ale na potrzeby tego artykułu przyjrzymy się tym, które oznaczane są symbolem SOFC (Solid Oxide Fuel Cel). Zazwyczaj są one zbudowane z kilku elektrochemicznych warstw ceramicznych, pomiędzy którymi znajduje się elektrolit. Całość jest bardzo szczelna tak, aby umożliwiła zaplanowany obieg paliwa. Umożliwia to zamianę wodoru w energię elektryczną przy efektywności, która zazwyczaj wynosi między 50% a 60%. Natomiast bardzo ciekawym parametrem jest ich teoretyczna efektywność, która wynosi ponad 90%. Niestety SOFC, które są produkowane zazwyczaj z materiałów ceramicznych, nie były w stanie nawet zbliżyć się do teoretycznego poziomu ze względu na niską dokładność klasycznych procesów wytwórczych.

Dlatego też naukowcy z Katalońskiego Instytutu Badań Energetycznych oraz Instytutu Badań oraz Nauk Ścisłych sięgnęli po technologię druku 3D. Drukowanie ogniw pozwoliło na usprawnienie ich wydajności dzięki zwiększeniu użytecznej powierzchni ogniwa oraz polepszeniu jego ogólnej architektury przy jednoczesnym zachowaniu jego dotychczasowych wymiarów. Naukowcom udało się osiągnąć użytkową powierzchnię ogniwa, która jest większa aż o 57% przy zachowaniu podobnych wymiarów, jak w przypadku generatora wyprodukowanego konwencjonalnymi metodami. Dodatkowo wydrukowane ogniwa paliwowe są bardziej ekologiczne.

Jak podkreślają sami naukowcy związani z tym projektem:

„Technologia drukowania 3D zrewolucjonizuje sektor energetyczny poprzez możliwość stosowania złożonych kształtów oraz nowoczesnych funkcjonalności, które były do tej pory niespotykane. Zapoczątkuje to nową generację usprawnionych urządzeń, które będą gotowe do stosowania na masową skalę. Pośród innych [zastosowań] elektroceramiczne urządzenia takie jak ogniwa SOFC oraz ogniwa galwaniczne są obiecującymi projektami, które [wiele] zyskają na zastosowaniu druku 3D w celu stworzenia innowacyjnych rozwiązań, które pozwolą przezwyciężyć ograniczenia związane z kształtami, które narzucają dotychczasowe technologie”.