Prevádzkujú ich kozmické lode amerického Národného úradu pre letectvo a vesmír (NASA). Poskytujú napájanie počítačom Prvej národnej banky v Omahe. Používajú sa v niektorých verejných mestských autobusoch v Chicagu.
To všetko sú palivové články. Palivové články sú elektrochemické zariadenia, ktoré vyrábajú elektrinu bez spaľovacieho procesu – chemickou cestou, podobne ako batérie. Jediný rozdiel je v tom, že používajú iné chemikálie, vodík a kyslík a produktom chemickej reakcie je voda. Je možné použiť aj zemný plyn, ale pri používaní uhľovodíkových palív je, samozrejme, nevyhnutná určitá úroveň emisií oxidu uhličitého.
Keďže palivové články môžu pracovať s vysokou účinnosťou a bez škodlivých emisií, sú veľkým prísľubom ako udržateľný zdroj energie, ktorý pomôže znížiť emisie skleníkových plynov a iných znečisťujúcich látok. Hlavnou prekážkou širokého používania palivových článkov je ich vysoká cena v porovnaní s inými zariadeniami, ktoré vyrábajú elektrinu alebo poháňajú vozidlá.
História vývoja
Prvé palivové články predviedol Sir William Groves v roku 1839. Groves ukázal, že proces elektrolýzy – štiepenia vody na vodík a kyslík pôsobením elektrického prúdu – je reverzibilný. To znamená, že vodík a kyslík môžu byť chemicky spojené za vzniku elektriny.
Potom, čo sa to preukázalo, mnohí vedci sa usilovne vrhli na štúdium palivových článkov, ale vynález spaľovacieho motora a rozvoj infraštruktúry na ťažbu zásob ropy v druhej polovici devätnásteho storočia zanechali vývoj palivových článkov ďaleko za sebou. Ešte viac obmedzuje vývoj palivových článkov ich vysoká cena.
Prudký rozmach vo vývoji palivových článkov prišiel v 50. rokoch, keď sa na ne NASA obrátila v súvislosti s potrebou kompaktného elektrického generátora pre vesmírne lety. Boli investované príslušné finančné prostriedky a výsledkom boli lety Apolla a Gemini na palivové články. Kozmické lode tiež jazdia na palivové články.
Palivové články sú stále do značnej miery experimentálnou technológiou, no viacero spoločností ich už predáva na komerčnom trhu. Len za posledných takmer desať rokov sa v komerčnej technológii palivových článkov dosiahol významný pokrok.
Ako funguje palivový článok
Palivové články sú ako batérie – elektrinu vyrábajú chemickou reakciou. Naproti tomu spaľovacie motory spaľujú palivo a tým vytvárajú teplo, ktoré sa následne premieňa na mechanickú energiu. Pokiaľ sa teplo z výfukových plynov nejakým spôsobom nevyužije (napríklad na kúrenie alebo klimatizáciu), potom sa dá povedať, že účinnosť spaľovacieho motora je skôr nízka. Očakáva sa napríklad, že účinnosť palivových článkov pri použití vo vozidle – projekt, ktorý je v súčasnosti vo vývoji – bude viac ako dvojnásobne efektívnejšia ako dnešné typické benzínové motory používané v automobiloch.
Hoci batérie aj palivové články vyrábajú elektrinu chemicky, plnia dve veľmi odlišné funkcie. Batérie sú zariadenia na uchovávanie energie: elektrina, ktorú generujú, je výsledkom chemickej reakcie hmoty, ktorá je už v nich. Palivové články neukladajú energiu, ale premieňajú časť energie z externe dodávaného paliva na elektrickú energiu. V tomto ohľade sa palivový článok podobá skôr klasickej elektrárni.
Existuje niekoľko rôznych typov palivových článkov. Najjednoduchší palivový článok pozostáva zo špeciálnej membrány známej ako elektrolyt. Na oboch stranách membrány sú nanesené práškové elektródy. Tento dizajn - elektrolyt obklopený dvoma elektródami - je samostatným prvkom. Vodík prúdi na jednu stranu (anóda) a kyslík (vzduch) na druhú (katóda). Každá elektróda má inú chemickú reakciu.
Na anóde sa vodík rozkladá na zmes protónov a elektrónov. V niektorých palivových článkoch sú elektródy obklopené katalyzátorom, zvyčajne vyrobeným z platiny alebo iných ušľachtilých kovov, ktorý podporuje disociačnú reakciu:
2H2 ==> 4H+ + 4e-.
H2 = dvojatómová molekula vodíka, forma, v
v ktorom je vodík prítomný ako plyn;
H+ = ionizovaný vodík, t.j. protón;
e- = elektrón.
Činnosť palivového článku je založená na skutočnosti, že elektrolyt prechádza protóny cez seba (smerom ku katóde), ale elektróny nie. Elektróny sa pohybujú smerom ku katóde pozdĺž vonkajšieho vodivého obvodu. Tento pohyb elektrónov je elektrický prúd, ktorý možno použiť na napájanie externého zariadenia pripojeného k palivovému článku, ako je napríklad elektromotor alebo žiarovka. Toto zariadenie sa bežne označuje ako „záťaž“.
Na katódovej strane palivového článku sa protóny (ktoré prešli elektrolytom) a elektróny (ktoré prešli vonkajšou záťažou) „rekombinujú“ a reagujú s kyslíkom dodávaným do katódy za vzniku vody, H2O:
4H+ + 4e- + 02 ==> 2H20.
Celková reakcia v palivovom článku je napísaná takto:
2H2 + 02 ==> 2H20.
Palivové články pri svojej práci využívajú vodíkové palivo a kyslík zo vzduchu. Vodík možno dodávať priamo alebo jeho oddelením od externého zdroja paliva, ako je zemný plyn, benzín alebo metanol. V prípade externého zdroja sa musí chemicky premeniť na extrakciu vodíka. Tento proces sa nazýva „reformácia“. Vodík možno získať aj z amoniaku, alternatívnych zdrojov, ako je plyn z mestských skládok a čističiek odpadových vôd a elektrolýzy vody, ktorá využíva elektrickú energiu na rozklad vody na vodík a kyslík. V súčasnosti väčšina technológií palivových článkov používaných v doprave využíva metanol.
Boli vyvinuté rôzne prostriedky na reformovanie paliva na výrobu vodíka pre palivové články. Americké ministerstvo energetiky vyvinulo palivovú elektráreň v reformátore benzínu, ktorá dodáva vodík do samostatného palivového článku. Výskumníci z Pacific Northwest National Laboratory v USA demonštrovali kompaktný reformátor paliva, ktorý má jednu desatinu veľkosti energetického zdroja. Americká energetická spoločnosť, Northwest Power Systems a Sandia National Laboratory demonštrovali reformátor paliva, ktorý premieňa naftu na vodík pre palivové články.
Každý z palivových článkov produkuje asi 0,7-1,0 voltu. Na zvýšenie napätia sú prvky zostavené do "kaskády", t.j. sériové pripojenie. Na vytvorenie väčšieho prúdu sú sady kaskádových prvkov zapojené paralelne. Ak skombinujete kaskády palivových článkov s palivovou elektrárňou, systémom prívodu vzduchu a chladenia a riadiacim systémom, získate motor s palivovými článkami. Tento motor môže poháňať vozidlo, stacionárnu elektráreň alebo prenosný elektrický generátor6. Motory s palivovými článkami sa dodávajú v rôznych veľkostiach v závislosti od aplikácie, typu palivového článku a použitého paliva. Napríklad každá zo štyroch samostatných 200 kW stacionárnych elektrární inštalovaných v banke v Omahe má veľkosť približne ako príves pre nákladné auto.
Aplikácie
Palivové články je možné použiť v stacionárnych aj mobilných zariadeniach. V reakcii na sprísnenie emisných predpisov v USA automobilky vrátane DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda a Nissan experimentovali a predvádzali vozidlá s palivovými článkami. Očakáva sa, že prvé komerčné vozidlá s palivovými článkami vyrazia na cesty v roku 2004 alebo 2005.
Míľnikom v histórii technológie palivových článkov bola demonštrácia experimentálneho 32-stopového mestského autobusu Ballard Power System s 90 kilowattovým vodíkovým motorom na palivové články v júni 1993. Odvtedy bolo vyvinutých a uvedených do prevádzky mnoho rôznych typov a generácií osobných vozidiel s palivovými článkami, ktoré využívajú rôzne palivá. Od konca roku 1996 sa v Palm Desert v Kalifornii používajú tri golfové vozíky poháňané vodíkovými palivovými článkami. Na cestách v Chicagu, Illinois; Vancouver, Britská Kolumbia; a Oslo v Nórsku testujú mestské autobusy s palivovými článkami. V uliciach Londýna sa testujú taxíky s alkalickými palivovými článkami.
Demonštrujú sa aj pevné inštalácie využívajúce technológiu palivových článkov, ktoré sa však zatiaľ komerčne veľmi nevyužívajú. Prvá národná banka Omaha v Nebraske používa na napájanie počítačov systém palivových článkov, pretože systém je spoľahlivejší ako starý sieťový systém so zálohou batérie. Najväčší komerčný systém palivových článkov s výkonom 1,2 MW na svete bude čoskoro inštalovaný v poštovom centre na Aljaške. Testujú a predvádzajú sa aj notebooky s palivovými článkami, riadiace systémy používané v čističkách odpadových vôd a predajné automaty.
"Klady a zápory"
Palivové články majú množstvo výhod. Kým účinnosť moderných spaľovacích motorov je len 12-15%, pri palivových článkoch je tento koeficient 50%. Účinnosť palivových článkov môže zostať na pomerne vysokej úrovni, aj keď sa nevyužívajú na plný výkon, čo je značná výhoda oproti benzínovým motorom.
Modulárna povaha konštrukcie palivových článkov znamená, že kapacitu elektrárne s palivovými článkami možno zvýšiť jednoduchým pridaním niekoľkých ďalších stupňov. To zaisťuje, že faktor nedostatočného využitia kapacity je minimalizovaný, čo umožňuje lepšie zosúladenie ponuky a dopytu. Pretože účinnosť zásobníka palivových článkov je určená výkonom jednotlivých článkov, malé elektrárne na palivové články fungujú rovnako efektívne ako veľké. Okrem toho možno odpadové teplo zo stacionárnych systémov palivových článkov využiť na ohrev vody a priestoru, čím sa ďalej zvyšuje energetická účinnosť.
Pri použití palivových článkov prakticky nevznikajú žiadne škodlivé emisie. Keď motor beží na čistý vodík, ako vedľajšie produkty vzniká iba teplo a čistá vodná para. Na kozmických lodiach teda astronauti pijú vodu, ktorá vzniká v dôsledku prevádzky palivových článkov na palube. Zloženie emisií závisí od charakteru zdroja vodíka. Výsledkom používania metanolu sú nulové emisie oxidov dusíka a oxidu uhoľnatého a len malé emisie uhľovodíkov. Emisie sa zvyšujú, keď prechádzate od vodíka cez metanol k benzínu, hoci aj pri benzíne zostanú emisie pomerne nízke. V každom prípade by výmena dnešných tradičných spaľovacích motorov za palivové články viedla k celkovému zníženiu emisií CO2 a NOx.
Použitie palivových článkov poskytuje flexibilitu energetickej infraštruktúry a vytvára ďalšie príležitosti na decentralizovanú výrobu energie. Množstvo decentralizovaných zdrojov energie umožňuje znížiť straty pri prenose a rozvíjať trhy s predajom energie (čo je dôležité najmä pre vzdialené a vidiecke oblasti, kde nie je prístup k elektrickému vedeniu). Pomocou palivových článkov si môžu jednotliví obyvatelia či štvrte zabezpečiť väčšinu elektriny sami a výrazne tak zvýšiť efektivitu jej využitia.
Palivové články ponúkajú vysokokvalitnú energiu a zvýšenú spoľahlivosť. Sú odolné, nemajú žiadne pohyblivé časti a produkujú konštantné množstvo energie.
Technológiu palivových článkov je však potrebné ďalej zdokonaľovať, aby sa zlepšil výkon, znížili náklady a tým sa palivové články stali konkurencieschopnými s inými energetickými technológiami. Je potrebné poznamenať, že keď sa zvažujú nákladové charakteristiky energetických technológií, porovnania by sa mali robiť na základe všetkých zložiek technologických charakteristík vrátane kapitálových prevádzkových nákladov, emisií znečisťujúcich látok, kvality energie, životnosti, vyraďovania z prevádzky a flexibility.
Aj keď je plynný vodík najlepším palivom, infraštruktúra ani dopravná základňa preň zatiaľ neexistuje. V krátkodobom horizonte by sa existujúce systémy zásobovania fosílnymi palivami (čerpacie stanice atď.) mohli využiť na zásobovanie elektrární zdrojmi vodíka vo forme benzínu, metanolu alebo zemného plynu. Tým by sa eliminovala potreba vyhradených vodíkových čerpacích staníc, ale vyžadovalo by sa, aby každé vozidlo bolo vybavené konvertorom fosílneho paliva na vodík („reformátor“). Nevýhodou tohto prístupu je, že využíva fosílne palivá a tým dochádza k emisiám oxidu uhličitého. Metanol, v súčasnosti vedúci kandidát, produkuje menej emisií ako benzín, ale vyžadovalo by si to väčšiu nádrž v aute, pretože pri rovnakom energetickom obsahu zaberá dvakrát toľko miesta.
Na rozdiel od systémov dodávky fosílnych palív, solárne a veterné systémy (využívajúce elektrickú energiu na vytváranie vodíka a kyslíka z vody) a systémy priamej fotokonverzie (používajúce polovodičové materiály alebo enzýmy na výrobu vodíka) by mohli dodávať vodík bez reformného kroku, a teda týmto spôsobom by emisie škodlivín, ktoré sa pozorujú pri používaní metanolových alebo benzínových palivových článkov. Vodík by sa mohol podľa potreby skladovať a premieňať na elektrickú energiu v palivovom článku. V budúcnosti bude pripojenie palivových článkov k týmto druhom obnoviteľných zdrojov energie pravdepodobne účinnou stratégiou na poskytovanie produktívneho, ekologického a všestranného zdroja energie.
Odporúčania IEER sú pre miestne, štátne a štátne vlády, aby vyčlenili časť svojich rozpočtov na obstarávanie dopravy na vozidlá s palivovými článkami a stacionárne systémy palivových článkov na zásobovanie teplom a elektrinou pre niektoré zo svojich základných alebo nových budov. To prispeje k rozvoju životne dôležitých technológií a zníži emisie skleníkových plynov.
Podobne ako pri existencii rôznych typov spaľovacích motorov existujú aj rôzne typy palivových článkov – výber vhodného typu palivového článku závisí od jeho použitia.
Palivové články sa delia na vysokoteplotné a nízkoteplotné. Nízkoteplotné palivové články vyžadujú relatívne čistý vodík ako palivo. To často znamená, že na premenu primárneho paliva (ako je zemný plyn) na čistý vodík je potrebné spracovanie paliva. Tento proces spotrebúva dodatočnú energiu a vyžaduje špeciálne vybavenie. Vysokoteplotné palivové články nepotrebujú tento dodatočný postup, pretože môžu „interne premeniť“ palivo pri zvýšených teplotách, čo znamená, že nie je potrebné investovať do vodíkovej infraštruktúry.
Palivové články na roztavenom uhličitane (MCFC)
Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje priame využitie zemného plynu bez palivového procesora a palivového plynu s nízkou výhrevnosťou z procesných palív a iných zdrojov. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov 20. storočia. Odvtedy sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšili.
Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa mobility iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650°C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.
Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stávajú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO 3 2-). Tieto ióny prechádzajú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú elektrický prúd a teplo.
Anódová reakcia: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcia na katóde: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Všeobecná reakcia prvkov: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katóda) => H 2 O (g) + CO 2 (anóda)
Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Pri vysokých teplotách sa zemný plyn vnútorne reformuje, čím sa eliminuje potreba procesora paliva. Okrem toho medzi výhody patrí možnosť použitia štandardných konštrukčných materiálov, ako je nerezový plech a niklový katalyzátor na elektródach. Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary na rôzne priemyselné a komerčné účely.
Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež svoje výhody. Aplikácia vysokých teplôt trvá značne dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie systémov palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom v podmienkach konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivových článkov oxidom uhoľnatým, „otrave“ atď.
Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.
Palivové články s kyselinou fosforečnou (PFC)
Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) boli prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov a testovaný od 70. rokov 20. storočia. Odvtedy sa zvýšila stabilita, výkon a náklady.
Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) využívajú elektrolyt na báze kyseliny ortofosforečnej (H 3 PO 4) s koncentráciou až 100 %. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150–220 °C.
Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je vodík (H+, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (MEFC), v ktorých sa vodík dodávaný do anódy rozdeľuje na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú nasmerované pozdĺž vonkajšieho elektrického obvodu a vytvára sa elektrický prúd. Nižšie sú uvedené reakcie, ktoré vytvárajú elektrinu a teplo.
Reakcia na anóde: 2H2 => 4H + + 4e -
Reakcia na katóde: 02 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H20
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20
Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40 %. Pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je celková účinnosť cca 85 %. Navyše pri daných prevádzkových teplotách možno odpadové teplo využiť na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.
Vysoký výkon tepelných elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Závody využívajú oxid uhoľnatý v koncentrácii okolo 1,5 %, čo značne rozširuje výber paliva. Okrem toho CO 2 neovplyvňuje elektrolyt a činnosť palivového článku, tento typ článku pracuje s reformovaným prírodným palivom. Výhodou tohto typu palivového článku je aj jednoduchá konštrukcia, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita.
Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 400 kW. Zariadenia s výkonom 11 MW prešli príslušnými skúškami. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.
Palivové články s protónovou výmennou membránou (PME)
Palivové články s protónovou výmennou membránou sa považujú za najlepší typ palivových článkov na výrobu energie vo vozidlách, ktoré môžu nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA pre program Gemini. Dnes sa vyvíjajú a predvádzajú inštalácie na MOPFC s výkonom od 1 W do 2 kW.
Tieto palivové články používajú ako elektrolyt pevnú polymérnu membránu (tenký plastový film). Pri impregnácii vodou tento polymér prechádza protónmi, ale nevedie elektróny.
Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde sa molekula vodíka rozdelí na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú po vonkajšom kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a spája sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú tieto reakcie:
Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH - => 4H20 + 4e -
Reakcia na katóde: 02 + 2H20 + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20
V porovnaní s inými typmi palivových článkov produkujú palivové články s protónovou výmennou membránou viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Táto funkcia im umožňuje byť kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 °C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť výstup energie, sú len niektoré z vlastností, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidlách.
Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je skôr tuhá ako kvapalná látka. Udržanie plynov na katóde a anóde je jednoduchšie s pevným elektrolytom, a preto sú takéto palivové články lacnejšie na výrobu. V porovnaní s inými elektrolytmi použitie pevného elektrolytu nespôsobuje problémy ako orientácia, je menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo vedie k dlhšej životnosti článku a jeho komponentov.
Palivové články s pevným oxidom (SOFC)
Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálnej predúpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, ktorý je vodičom kyslíkových (02-) iónov. Technológia využívania palivových článkov s pevným oxidom sa rozvíja od konca 50. rokov minulého storočia. a má dve konfigurácie: rovinnú a rúrkovú.
Pevný elektrolyt zabezpečuje hermetický prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v poréznom substráte. Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je kyslíkový ión (O 2 -). Na katóde sú molekuly kyslíka oddelené od vzduchu na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú nasmerované cez vonkajší elektrický obvod, pričom generujú elektrický prúd a odpadové teplo.
Reakcia na anóde: 2H2 + 202 - => 2H20 + 4e -
Reakcia na katóde: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + 02 => 2H20
Účinnosť vyrobenej elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov – okolo 60 %. Vysoké prevádzkové teploty navyše umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny na výrobu vysokotlakovej pary. Spojením vysokoteplotného palivového článku s turbínou vzniká hybridný palivový článok na zvýšenie účinnosti výroby elektrickej energie až o 70 %.
Palivové články s pevným oxidom pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 °C – 1 000 °C), výsledkom čoho je dlhý čas na dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Pri takýchto vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný žiadny konvertor na regeneráciu vodíka z paliva, čo umožňuje prevádzke tepelnej elektrárne s relatívne nečistými palivami zo splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre aplikácie s vysokým výkonom, vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Priemyselne vyrábané moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW.
Palivové články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)
Technológia využitia palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu prechádza obdobím aktívneho vývoja. Úspešne sa etablovala v oblasti napájania mobilných telefónov, notebookov, ako aj vytvárania prenosných zdrojov energie. na čo je zameraná budúca aplikácia týchto prvkov.
Štruktúra palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu je podobná palivovým článkom s protónovou výmennou membránou (MOFEC), t.j. polymér sa používa ako elektrolyt a ión vodíka (protón) sa používa ako nosič náboja. Kvapalný metanol (CH 3 OH) sa však v prítomnosti vody na anóde oxiduje, pričom sa uvoľňuje CO 2, vodíkové ióny a elektróny, ktoré sú vedené cez vonkajší elektrický obvod a vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.
Reakcia na anóde: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcia na katóde: 3/202 + 6H + + 6e - => 3H20
Všeobecná reakcia prvkov: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Vývoj týchto palivových článkov sa začal začiatkom 90. rokov minulého storočia. Po vývoji vylepšených katalyzátorov a vďaka ďalším nedávnym inováciám sa hustota výkonu a účinnosť zvýšila až o 40 %.
Tieto prvky boli testované v teplotnom rozsahu 50-120°C. S nízkymi prevádzkovými teplotami a bez potreby konvertora sú priame metanolové palivové články tým najlepším kandidátom pre aplikácie od mobilných telefónov a iných spotrebných produktov až po automobilové motory. Výhodou tohto typu palivových článkov je ich malá veľkosť, vzhľadom na použitie kvapalného paliva, a absencia potreby použitia konvertora.
Alkalické palivové články (AFC)
Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najviac študovaných technológií a používajú sa od polovice 60. rokov minulého storočia. NASA v programoch Apollo a Space Shuttle. Na palube týchto kozmických lodí vyrábajú palivové články elektrinu a pitnú vodu. Alkalické palivové články sú jedným z najefektívnejších prvkov používaných na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.
Alkalické palivové články využívajú elektrolyt, teda vodný roztok hydroxidu draselného, obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže meniť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 °C do 220 °C. Nosičom náboja v SFC je hydroxidový ión (OH-), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom za vzniku vody a elektrónov. Voda produkovaná na anóde sa vracia späť ku katóde, kde opäť vytvára hydroxidové ióny. V dôsledku tejto série reakcií prebiehajúcich v palivovom článku vzniká elektrina a ako vedľajší produkt teplo:
Reakcia na anóde: 2H2 + 4OH - => 4H20 + 4e -
Reakcia na katóde: 02 + 2H20 + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Všeobecná reakcia systému: 2H2 + 02 => 2H20
Výhodou SFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom potrebným na elektródach môže byť ktorákoľvek z látok, ktoré sú lacnejšie ako tie, ktoré sa používajú ako katalyzátory pre iné palivové články. Okrem toho SCFC fungujú pri relatívne nízkej teplote a patria medzi najúčinnejšie palivové články – takéto charakteristiky môžu prispieť k rýchlejšej výrobe energie a vysokej palivovej účinnosti.
Jednou z charakteristických vlastností SHTE je vysoká citlivosť na CO 2 , ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO 2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otravuje a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je použitie SFC obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, musia fungovať na čistý vodík a kyslík. Navyše molekuly ako CO, H20 a CH4, ktoré sú bezpečné pre iné palivové články a dokonca palivo pre niektoré z nich, sú škodlivé pre SFC.
Polymérové elektrolytické palivové články (PETE)
V prípade palivových článkov s polymérnym elektrolytom pozostáva polymérna membrána z polymérnych vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je vodivosť vodných iónov H 2 O + (protón, červená) naviazaných na molekulu vody. Molekuly vody predstavujú problém kvôli pomalej výmene iónov. Preto je potrebná vysoká koncentrácia vody ako v palive, tak aj na výfukových elektródach, čo obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100°C.
Tuhé kyslé palivové články (SCFC)
V tuhých kyslých palivových článkoch elektrolyt (C s HSO 4 ) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia SO 4 2-oxy aniónov umožňuje protónom (červená) pohybovať sa, ako je znázornené na obrázku. Palivový článok s tuhou kyselinou je typicky sendvič, v ktorom je veľmi tenká vrstva tuhej kyslej zlúčeniny vložená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.
| Typ palivového článku | Pracovná teplota | Účinnosť výroby energie | Druh paliva | Oblasť použitia |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550 až 700 °C | 50-70% | Stredné a veľké inštalácie | |
| FKTE | 100 až 220 °C | 35-40% | čistý vodík | Veľké inštalácie |
| MOPTE | 30-100 °C | 35-50% | čistý vodík | Malé inštalácie |
| SOFC | 450-1000 °C | 45-70% | Väčšina uhľovodíkových palív | Malé, stredné a veľké inštalácie |
| POMTE | 20-90 °C | 20-30% | metanol | Prenosné jednotky |
| SHTE | 50 až 200 °C | 40-65% | čistý vodík | vesmírny výskum |
| PETE | 30-100 °C | 35-50% | čistý vodík | Malé inštalácie |
Energetickí experti poznamenávajú, že vo väčšine rozvinutých krajín rýchlo rastie záujem o rozptýlené zdroje energie s relatívne malou kapacitou. Hlavnými výhodami týchto autonómnych elektrární sú nízke investičné náklady počas výstavby, rýchle uvedenie do prevádzky, relatívne jednoduchá údržba a dobré environmentálne vlastnosti. Pri autonómnom systéme napájania nie sú potrebné investície do elektrických vedení a rozvodní. Umiestnenie autonómnych zdrojov energie priamo na odberných miestach nielen eliminuje straty v sieťach, ale zvyšuje aj spoľahlivosť napájania.
Samostatné zdroje energie, ako sú malé plynové turbíny (plynové turbíny), spaľovacie motory, veterné turbíny a polovodičové solárne panely sú dobre známe.
Na rozdiel od spaľovacích motorov alebo uhoľných/plynových turbín palivové články nespaľujú palivo. Chemickou reakciou premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu. Palivové články preto neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov uvoľňovaných pri spaľovaní paliva, ako je oxid uhličitý (CO2), metán (CH4) a oxidy dusíka (NOx). Emisie palivových článkov sú voda vo forme pary a nízke úrovne oxidu uhličitého (alebo žiadne emisie CO2), keď sa ako palivo pre články používa vodík. Palivové články navyše fungujú ticho, pretože neobsahujú hlučné vysokotlakové rotory a počas prevádzky nevznikajú žiadne zvuky výfukových plynov ani vibrácie.
Palivový článok premieňa chemickú energiu paliva na elektrickú energiu chemickou reakciou s kyslíkom alebo iným oxidačným činidlom. Palivové články sa skladajú z anódy (záporná strana), katódy (kladná strana) a elektrolytu, ktorý umožňuje pohyb nábojov medzi dvoma stranami palivového článku (obrázok: Schematický diagram palivového článku).
Elektróny sa pohybujú z anódy na katódu cez vonkajší obvod a vytvárajú jednosmerný prúd. Vzhľadom na to, že hlavným rozdielom medzi rôznymi typmi palivových článkov je elektrolyt, palivové články sa delia podľa typu použitého elektrolytu, t.j. vysokoteplotné a nízkoteplotné palivové články (TEPM, PMTE). Najbežnejším palivom je vodík, ale niekedy sa môžu použiť aj uhľovodíky ako zemný plyn a alkoholy (t.j. metanol). Palivové články sa líšia od batérií tým, že na udržanie chemickej reakcie vyžadujú stály zdroj paliva a kyslíka/vzduchu a pokiaľ sú dodávané, vyrábajú elektrinu.
Palivové články majú oproti konvenčným zdrojom energie, ako sú spaľovacie motory alebo batérie, nasledujúce výhody:
- Palivové články sú efektívnejšie ako dieselové alebo plynové motory.
- Väčšina palivových článkov je v porovnaní so spaľovacími motormi tichá. Preto sú vhodné do budov so špeciálnymi požiadavkami, ako sú nemocnice.
- Palivové články nevedú k znečisteniu spôsobenému spaľovaním fosílnych palív; napríklad jediným vedľajším produktom vodíkových palivových článkov je voda.
- Ak sa vodík získava elektrolýzou vody poskytovanej obnoviteľným zdrojom energie, potom sa pri použití palivových článkov počas celého cyklu neuvoľňuje žiadny skleníkový plyn.
- Palivové články nevyžadujú konvenčné palivá, ako je ropa alebo plyn, takže ekonomická závislosť od krajín produkujúcich ropu sa môže odstrániť a dosiahnuť väčšia energetická bezpečnosť.
- Palivové články nie sú závislé od energetických sietí, pretože vodík sa dá vyrábať kdekoľvek, kde je k dispozícii voda a elektrina, a vyrobené palivo sa môže distribuovať.
- Pri použití stacionárnych palivových článkov na výrobu energie v mieste spotreby možno využiť decentralizované energetické siete, ktoré sú potenciálne stabilnejšie.
- Nízkoteplotné palivové články (LEPM, PMFC) majú nízku úroveň prenosu tepla, vďaka čomu sú ideálne pre rôzne aplikácie.
- Palivové články s vyššou teplotou produkujú vysokokvalitné procesné teplo spolu s elektrickou energiou a sú vhodné na kogeneráciu (ako je kogenerácia pre obytné budovy).
- Doba chodu je oveľa dlhšia ako doba chodu batérií, pretože na predĺženie doby chodu je potrebné len viac paliva a nie je potrebné žiadne zvýšenie produktivity závodu.
- Na rozdiel od batérií majú palivové články pri tankovaní „pamäťový efekt“.
- Údržba palivových článkov je jednoduchá, keďže nemajú veľké pohyblivé časti.
Najbežnejším palivom pre palivové články je vodík, keďže nevypúšťa škodlivé znečisťujúce látky. Môžu sa však použiť aj iné palivá a palivové články na zemný plyn sa považujú za účinnú alternatívu, keď je zemný plyn dostupný za konkurenčné ceny. V palivových článkoch prechádza tok paliva a oxidantov cez elektródy, ktoré sú oddelené elektrolytom. To spôsobí chemickú reakciu, ktorá produkuje elektrinu; nie je potrebné spaľovať palivo ani pridávať tepelnú energiu, čo je zvyčajne prípad tradičných spôsobov výroby elektriny. Pri použití prírodného čistého vodíka ako paliva a kyslíka ako oxidačného činidla vzniká v dôsledku reakcie, ktorá prebieha v palivovom článku, voda, tepelná energia a elektrina. Pri použití s inými palivami vypúšťajú palivové články veľmi nízke emisie znečisťujúcich látok a produkujú vysokokvalitnú a spoľahlivú elektrinu.
Výhody palivových článkov na zemný plyn sú nasledovné:
- Výhody pre životné prostredie- Palivové články sú čistou metódou výroby elektriny z fosílnych palív. keďže palivové články poháňané čistým vodíkom a kyslíkom produkujú iba vodu, elektrinu a teplo; iné typy palivových článkov emitujú zanedbateľné množstvá zlúčenín síry a veľmi nízke úrovne oxidu uhličitého. Oxid uhličitý emitovaný palivovými článkami je však koncentrovaný a možno ho ľahko zadržať namiesto toho, aby sa dostal do atmosféry.
- Efektívnosť- Palivové články premieňajú energiu dostupnú vo fosílnych palivách na elektrickú energiu oveľa efektívnejšie ako konvenčné metódy výroby elektriny spaľujúce palivo. To znamená, že na výrobu rovnakého množstva elektriny je potrebné menej paliva. Podľa Národného laboratória energetických technológií 58 je možné vyrábať palivové články (v kombinácii s turbínami na zemný plyn), ktoré budú pracovať vo výkonovom rozsahu od 1 do 20 MWe s účinnosťou 70 %. Táto účinnosť je oveľa vyššia ako účinnosť, ktorú možno dosiahnuť tradičnými metódami výroby energie v špecifikovanom rozsahu výkonu.
- Výroba s distribúciou- Palivové články môžu byť vyrábané vo veľmi malých veľkostiach; to umožňuje ich umiestnenie na miestach, kde je potrebná elektrická energia. To platí pre obytné, komerčné, priemyselné a dokonca aj automobilové inštalácie.
- Spoľahlivosť- Palivové články sú úplne uzavreté zariadenia bez pohyblivých častí alebo zložitých strojov. To z nich robí spoľahlivé zdroje elektrickej energie, schopné prevádzky po mnoho hodín. Navyše sú takmer tichými a bezpečnými zdrojmi elektrickej energie. Ani v palivových článkoch nedochádza k prepätiu elektriny; to znamená, že ich možno použiť v prípadoch, keď je potrebný neustále fungujúci a spoľahlivý zdroj elektriny.
Až donedávna boli menej populárne palivové články (FC), čo sú elektrochemické generátory schopné premieňať chemickú energiu na elektrickú energiu, obchádzať spaľovacie procesy, premieňať tepelnú energiu na mechanickú energiu a tá na elektrickú. Elektrická energia vzniká v palivových článkoch v dôsledku chemickej reakcie medzi redukčným činidlom a oxidačným činidlom, ktoré sú nepretržite dodávané do elektród. Redukčným činidlom je najčastejšie vodík, oxidačným činidlom kyslík alebo vzduch. Kombináciou zostavy palivových článkov a zariadení na dodávanie činidiel, odstraňovanie reakčných produktov a tepla (ktoré možno využiť) je elektrochemický generátor.
V poslednom desaťročí 20. storočia, keď bola spoľahlivosť napájacieho zdroja a otázky životného prostredia mimoriadne dôležité, mnohé firmy v Európe, Japonsku a Spojených štátoch začali vyvíjať a vyrábať niekoľko variantov palivových článkov.
Najjednoduchšie sú alkalické palivové články, od ktorých sa začal vývoj tohto typu autonómnych zdrojov energie. Prevádzková teplota v týchto palivových článkoch je 80-95°C, elektrolytom je 30% roztok žieravého draslíka. Alkalické palivové články fungujú na čistý vodík.
Nedávno sa rozšíril PEM palivový článok s membránami na výmenu protónov (s polymérnym elektrolytom). Pracovná teplota v tomto procese je tiež 80-95 °C, ale ako elektrolyt sa používa pevná iónomeničová membrána s kyselinou perfluórsulfónovou.
Je pravda, že komerčne najatraktívnejšie je palivový článok PAFC s kyselinou fosforečnou, ktorý dosahuje účinnosť 40 % pri samotnej výrobe elektriny a -85 % pri využití vyrobeného tepla. Prevádzková teplota tohto palivového článku je 175–200°C, elektrolytom je tekutý karbid kremíka impregnovaný kyselinou fosforečnou spájaný teflónom. 
Súprava článku je vybavená dvoma poréznymi grafitovými elektródami a kyselinou orto-fosforečnou ako elektrolytom. Elektródy sú potiahnuté platinovým katalyzátorom. V reformátore zemný plyn pri interakcii s parou prechádza na vodík a CO, ktorý sa v konvertore dodatočne oxiduje na CO2. Ďalej sa molekuly vodíka pod vplyvom katalyzátora disociujú na anóde na ióny H. Elektróny uvoľnené pri tejto reakcii sú nasmerované cez záťaž na katódu. Na katóde reagujú s vodíkovými iónmi difundujúcimi cez elektrolyt a s kyslíkovými iónmi, ktoré vznikajú ako výsledok katalytickej oxidácie vzdušného kyslíka na katóde, pričom v konečnom dôsledku tvoria vodu.
K perspektívnym typom palivových článkov patria aj palivové články s roztaveným uhličitanom typu MCFC. Tento palivový článok pri prevádzke na metán má účinnosť 50-57% pre elektrickú energiu. Prevádzková teplota 540-650°C, elektrolyt - roztavený uhličitan draselný a sodný alkálie v plášti - matrica z oxidu lítno-hlinitého LiA102.
A nakoniec, najsľubnejším palivovým prvkom je SOFC. Ide o palivový článok s pevným oxidom, ktorý využíva akékoľvek plynné palivo a je najvhodnejší pre relatívne veľké inštalácie. Jeho energetická účinnosť je 50-55% a pri použití v zariadeniach s kombinovaným cyklom až 65%. Prevádzková teplota 980-1000°C, elektrolyt - pevné zirkónium, stabilizované ytriom.
Na obr. 2 znázorňuje 24-článkovú SOFC batériu vyvinutú spoločnosťou Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Nemecko). Táto batéria je základom elektrochemického generátora poháňaného zemným plynom. Prvé demonštračné skúšky elektrocentrály tohto typu s výkonom 400 W sa uskutočnili už v roku 1986. V ďalších rokoch sa zdokonaľovala konštrukcia palivových článkov na tuhé oxidy a zvyšoval sa ich výkon.
Demonštračné skúšky 100 kW agregátu uvedeného do prevádzky v roku 1999 boli najúspešnejšie. Preukázala sa tak možnosť prevádzky elektrárne minimálne 40 tisíc hodín s prijateľným poklesom jej výkonu.
V roku 2001 bola vyvinutá nová elektráreň na báze pevných oxidových prvkov, ktorá pracuje pri atmosférickom tlaku. Batéria (elektrochemický generátor) s výkonom elektrárne 250 kW s kombinovanou výrobou elektriny a tepla obsahovala 2304 rúrkových prvkov z tuhého oxidu. Okrem toho bol súčasťou závodu invertor, regenerátor, ohrievač paliva (zemný plyn), spaľovacia komora na ohrev vzduchu, výmenník tepla na ohrev vody využívajúci teplo spalín a ďalšie pomocné zariadenia. Zároveň boli celkové rozmery inštalácie pomerne mierne: 2,6 x 3,0 x 10,8 m.
Určitý pokrok vo vývoji veľkých palivových článkov dosiahli japonskí špecialisti. Výskumné práce sa začali v Japonsku už v roku 1972, ale výrazný pokrok nastal až v polovici 90. rokov. Experimentálne moduly palivových článkov mali výkon 50 až 1000 kW, pričom 2/3 z nich boli na zemný plyn.
V roku 1994 bola v Japonsku postavená továreň na palivové články s výkonom 1 MW. S celkovým faktorom účinnosti (s výrobou pary a horúcej vody) rovnajúcim sa 71 %, zariadenie malo faktor účinnosti pre dodávku elektriny najmenej 36 %. Od roku 1995 podľa tlačových správ v Tokiu funguje 11 MW elektráreň na palivové články na báze kyseliny fosforečnej a do roku 2000 dosiahol celkový výkon palivových článkov 40 MW.
Všetky vyššie uvedené inštalácie patria do priemyselnej triedy. Ich vývojári sa neustále snažia zvyšovať výkon blokov s cieľom zlepšiť nákladové charakteristiky (merné náklady na kW inštalovaného výkonu a náklady na vyrobenú elektrinu). Existuje však niekoľko spoločností, ktoré si stanovili iný cieľ: vyvinúť najjednoduchšie inštalácie pre domácu spotrebu vrátane individuálnych napájacích zdrojov. A v tejto oblasti existujú významné úspechy:
- Plug Power LLC vyvinula 7kW jednotku palivových článkov na napájanie domácnosti;
- H Power Corporation vyrába 50-100 W nabíjačky batérií používané v doprave;
- Interná spoločnosť. Fuel Cells LLC vyrába 50-300W vozidlá a osobné napájacie zdroje;
- Analytic Power Corporation vyvinula 150 W osobné napájacie zdroje pre americkú armádu, ako aj domáce napájacie zdroje s palivovými článkami s výkonom 3 až 10 kW.
Aké sú výhody palivových článkov, ktoré povzbudzujú mnohé spoločnosti, aby výrazne investovali do ich vývoja?
Okrem vysokej spoľahlivosti majú elektrochemické generátory vysokú účinnosť, čo ich priaznivo odlišuje od zariadení s parnými turbínami a dokonca aj od zariadení s jednoduchými obehovými plynovými turbínami. Dôležitou výhodou palivových článkov je pohodlnosť ich použitia ako rozptýlených zdrojov energie: modulárna konštrukcia umožňuje zapojiť do série ľubovoľný počet jednotlivých článkov na vytvorenie batérie – ideálna kvalita pre zvýšenie výkonu.
Ale najdôležitejším argumentom v prospech palivových článkov je ich environmentálny výkon. Emisie NOX a CO z týchto zariadení sú také malé, že napríklad okresné úrady pre kvalitu ovzdušia v regiónoch (kde sú predpisy na kontrolu životného prostredia najprísnejšie v USA) ani neuvádzajú toto zariadenie vo všetkých požiadavkách týkajúcich sa ochrany. atmosféry.
Početné výhody palivových článkov, žiaľ, v súčasnosti nedokážu prevážiť ich jedinú nevýhodu - vysokú cenu. Napríklad v USA sú špecifické investičné náklady na výstavbu elektrárne aj pri najkonkurencieschopnejších palivových článkoch približne 3 500 USD/kW. . Hoci vláda poskytuje dotáciu 1 000 USD/kWh na stimuláciu dopytu po tejto technológii, náklady na výstavbu takýchto zariadení zostávajú dosť vysoké. Najmä v porovnaní s kapitálovými nákladmi na výstavbu mini-CHP s plynovými turbínami alebo spaľovacími motormi s výkonom v megawattoch, ktoré sú približne 500 USD/kW.
V posledných rokoch sa dosiahol určitý pokrok v znižovaní nákladov na inštalácie FC. Výstavba elektrární s palivovými článkami na báze kyseliny fosforečnej s kapacitou 0,2-1,0 MW, ktorá bola spomenutá vyššie, stála 1 700 dolárov / kW. Náklady na výrobu energie v takýchto zariadeniach v Nemecku, ktoré ich využívajú počas 6 000 hodín ročne, sa odhadujú na 7,5 – 10 centov / kWh. Elektráreň PC25 s výkonom 200 kW prevádzkovaná spoločnosťou Hessische EAG (Darmstadt) má tiež dobrú ekonomickú výkonnosť: náklady na elektrickú energiu vrátane odpisov, paliva a nákladov na údržbu zariadenia dosiahli spolu 15 centov/kWh. Rovnaký ukazovateľ pre TPP na hnedé uhlie bol 5,6 centu/kWh v elektrárni, na uhlí 4,7 centu/kWh, pre elektrárne s kombinovaným cyklom 4,7 centu/kWh a pre dieselové elektrárne 10,3 centu/kWh.
Výstavba väčšieho závodu na palivové články (N=1564 kW), ktorý funguje od roku 1997 v Kolíne nad Rýnom, si vyžiadala špecifické kapitálové náklady 1500 – 1750 USD/kW, ale skutočné náklady na palivové články boli len 400 USD/kW.
Všetko vyššie uvedené ukazuje, že palivové články sú sľubným typom zariadenia na výrobu energie pre priemysel aj autonómne inštalácie v domácom sektore. Vysoká účinnosť využívania plynu a vynikajúce environmentálne vlastnosti dávajú dôvod domnievať sa, že po vyriešení najdôležitejšej úlohy - zníženia nákladov - bude tento typ energetického zariadenia žiadaný na trhu autonómnych systémov zásobovania teplom a energiou.
Mobilná elektronika sa každým rokom, ak nie mesiacom, stáva dostupnejšou a bežnejšou. Tu máte notebooky, PDA, digitálne fotoaparáty a mobilné telefóny a množstvo všemožných užitočných a nie veľmi zariadení. A všetky tieto zariadenia neustále získavajú nové funkcie, výkonnejšie procesory, väčšie farebné obrazovky, bezdrôtové pripojenie, pričom sa zároveň zmenšuje ich veľkosť. Na rozdiel od polovodičových technológií však výkonové technológie tohto mobilného zverinca nie sú vôbec skokové.
Bežné akumulátory a batérie zjavne nestačia na to, aby napájali najnovšie pokroky v elektronickom priemysle po nejaký významný čas. A bez spoľahlivých a priestranných batérií sa stráca celý zmysel mobility a bezdrôtového pripojenia. Počítačový priemysel teda na probléme pracuje čoraz aktívnejšie alternatívne zdroje energie. A najsľubnejšie, k dnešnému dňu, smer sú tu palivové články.
Základný princíp palivových článkov objavil britský vedec Sir William Grove v roku 1839. Je známy ako otec „palivového článku“. William Grove vyrábal elektrinu zmenou na extrakciu vodíka a kyslíka. Po odpojení batérie od elektrolytického článku bol Grove prekvapený, keď zistil, že elektródy začali absorbovať uvoľnený plyn a generovať prúd. Otvorenie procesu elektrochemické „studené“ spaľovanie vodíka bola významnou udalosťou v energetickom sektore a v budúcnosti takí známi elektrochemici ako Ostwald a Nernst zohrali veľkú úlohu pri vývoji teoretických základov a praktickej implementácii palivových článkov a predpovedali im veľkú budúcnosť.
seba výraz "palivový článok" (Fuel Cell) sa objavil neskôr - navrhli ho v roku 1889 Ludwig Mond a Charles Langer, ktorí sa pokúšali vytvoriť zariadenie na výrobu elektriny zo vzduchu a uhoľného plynu.
Pri bežnom spaľovaní v kyslíku dochádza k oxidácii organického paliva a chemická energia paliva sa neefektívne premieňa na tepelnú energiu. Ukázalo sa však, že je možné uskutočniť oxidačnú reakciu, napríklad vodíka s kyslíkom, v prostredí elektrolytu a v prítomnosti elektród získať elektrický prúd. Napríklad privedením vodíka do elektródy v alkalickom prostredí získame elektróny:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
ktoré pri prechode vonkajším okruhom vstupujú na opačnú elektródu, ku ktorej vstupuje kyslík a kde prebieha reakcia: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Je vidieť, že výsledná reakcia 2H2 + O2 → H2O je rovnaká ako pri klasickom spaľovaní, ale v palivovom článku, alebo inak - v elektrochemický generátor, elektrický prúd sa získava s veľkou účinnosťou a čiastočne teplo. Treba poznamenať, že uhlie, oxid uhoľnatý, alkoholy, hydrazín a iné organické látky sa môžu použiť aj ako palivo v palivových článkoch a ako oxidačné činidlá vzduch, peroxid vodíka, chlór, bróm, kyselina dusičná atď.
Vývoj palivových článkov energicky pokračoval v zahraničí aj v Rusku a potom v ZSSR. Medzi vedcami, ktorí výrazne prispeli k štúdiu palivových článkov, si všimneme V. Jaca, P. Yablochkova, F. Bacona, E. Bauera, E. Justiho, K. Kordesa. V polovici minulého storočia sa začal nový útok na problémy s palivovými článkami. Čiastočne je to spôsobené objavením sa nových nápadov, materiálov a technológií v dôsledku obranného výskumu.
Jedným z vedcov, ktorí urobili veľký krok vo vývoji palivových článkov, bol P. M. Spiridonov. Vodíkovo-kyslíkové prvky Spiridonova poskytla prúdovú hustotu 30 mA/cm2, čo sa v tom čase považovalo za veľký úspech. V štyridsiatych rokoch minulého storočia vytvoril O. Davtyan zariadenie na elektrochemické spaľovanie generátorového plynu získaného splyňovaním uhlia. Z každého kubického metra objemu prvku dostal Davtyan výkon 5 kW.
To bolo prvý palivový článok s pevným elektrolytom. Mal vysokú účinnosť, ale postupom času sa elektrolyt stal nepoužiteľným a bolo ho potrebné vymeniť. Následne, koncom päťdesiatych rokov, Davtyan vytvoril výkonnú inštaláciu, ktorá uvedie traktor do pohybu. V tých istých rokoch anglický inžinier T. Bacon navrhol a zostrojil batériu palivových článkov s celkovým výkonom 6 kW a účinnosťou 80 %, fungujúcu na čistý vodík a kyslík, ale pomer výkonu a hmotnosti batérie sa ukázalo byť príliš malé - takéto články boli nevhodné na praktické použitie a príliš drahé.
V ďalších rokoch čas singlov pominul. Tvorcovia kozmických lodí sa začali zaujímať o palivové články. Od polovice 60. rokov minulého storočia sa do výskumu palivových článkov investovali milióny dolárov. Práca tisícov vedcov a inžinierov umožnila dosiahnuť novú úroveň a v roku 1965. Palivové články boli testované v Spojených štátoch na kozmickej lodi Gemini 5 a neskôr na kozmickej lodi Apollo pre lety na Mesiac a v rámci programu Shuttle.
V ZSSR boli palivové články vyvinuté v NPO Kvant aj na použitie vo vesmíre. V tých rokoch sa už objavili nové materiály - tuhé polymérne elektrolyty na báze iónomeničových membrán, nové typy katalyzátorov, elektródy. Napriek tomu bola hustota pracovného prúdu malá - v rozmedzí 100 - 200 mA / cm2 a obsah platiny na elektródach bol niekoľko g / cm2. Vyskytlo sa veľa problémov týkajúcich sa životnosti, stability, bezpečnosti.
Ďalšia etapa rýchleho vývoja palivových článkov sa začala v 90. rokoch 20. storočia. minulého storočia a trvá dodnes. Je to spôsobené potrebou nových efektívnych zdrojov energie na jednej strane v dôsledku globálneho environmentálneho problému zvyšovania emisií skleníkových plynov zo spaľovania fosílnych palív a na druhej strane v dôsledku vyčerpávania týchto palív. Keďže konečným produktom spaľovania vodíka v palivovom článku je voda, považujú sa z hľadiska vplyvu na životné prostredie za najčistejšie. Hlavným problémom je len nájsť efektívny a lacný spôsob výroby vodíka.
Miliardové finančné investície do vývoja palivových článkov a vodíkových generátorov by mali viesť k technologickému prelomu a ich využitie v každodennom živote: v článkoch pre mobilné telefóny, v autách, v elektrárňach. Automobiloví giganti ako „Ballard“, „Honda“, „Daimler Chrysler“, „General Motors“ už v súčasnosti predvádzajú osobné autá a autobusy poháňané palivovými článkami s kapacitou 50 kW. Rozvinulo sa množstvo spoločností demonštračné elektrárne na palivové články s tuhým oxidovým elektrolytom s výkonom do 500 kW. Napriek významnému prelomu v zlepšovaní výkonu palivových článkov však stále existuje veľa problémov, ktoré treba vyriešiť v súvislosti s ich cenou, spoľahlivosťou a bezpečnosťou.
V palivovom článku, na rozdiel od batérií a akumulátorov, sa palivo aj okysličovadlo privádzajú zvonku. Palivový článok je len sprostredkovateľom reakcie a za ideálnych podmienok by mohol vydržať takmer večne. Krása tejto technológie spočíva v tom, že v skutočnosti dochádza k spaľovaniu paliva v živle a uvoľnená energia sa priamo premieňa na elektrinu. Pri priamom spaľovaní paliva sa oxiduje kyslíkom a uvoľnené teplo sa v tomto prípade využíva na výkon užitočnej práce.
V palivovom článku, podobne ako v batériách, sú reakcie oxidácie paliva a redukcie kyslíka priestorovo oddelené a k procesu „horenia“ dochádza len vtedy, ak článok dodáva prúd do záťaže. je to tak dieselový generátor, len bez nafty a generátora. A tiež bez dymu, hluku, prehrievania a s oveľa vyššou účinnosťou. Toto sa vysvetľuje skutočnosťou, že po prvé neexistujú žiadne medziľahlé mechanické zariadenia a po druhé, palivový článok nie je tepelný motor, a v dôsledku toho sa neriadi Carnotovým zákonom (to znamená, že jeho účinnosť nie je určená teplotný rozdiel).
Kyslík sa používa ako oxidačné činidlo v palivových článkoch. Navyše, keďže je vo vzduchu dostatok kyslíka, netreba sa obávať prísunu oxidačného činidla. Čo sa týka paliva, je to vodík. Takže v palivovom článku reakcia prebieha:
2H2 + O2 → 2H2O + elektrina + teplo.
Výsledkom je užitočná energia a vodná para. Najjednoduchšie vo svojom zariadení je palivový článok s membránou na výmenu protónov(pozri obrázok 1). Funguje to nasledovne: vodík vstupujúci do bunky sa pôsobením katalyzátora rozkladá na elektróny a kladne nabité vodíkové ióny H+. Vtedy prichádza do činnosti špeciálna membrána, ktorá tu plní úlohu elektrolytu v klasickej batérii. Vďaka svojmu chemickému zloženiu cez seba prepúšťa protóny, no elektróny si zachováva. Elektróny nahromadené na anóde teda vytvárajú prebytočný záporný náboj a vodíkové ióny vytvárajú kladný náboj na katóde (napätie na prvku je asi 1V).
Na vytvorenie vysokého výkonu je palivový článok zostavený z mnohých článkov. Ak zapnete prvok v záťaži, elektróny ním budú prúdiť ku katóde, čím sa vytvorí prúd a dokončí sa proces oxidácie vodíka kyslíkom. Ako katalyzátor v takýchto palivových článkoch sa spravidla používajú platinové mikročastice nanesené na uhlíkových vláknach. Vďaka svojej štruktúre takýto katalyzátor dobre prechádza plynom a elektrinou. Membrána je zvyčajne vyrobená z polyméru Nafion obsahujúceho síru. Hrúbka membrány sú desatiny milimetra. Pri reakcii sa samozrejme uvoľňuje aj teplo, ale nie je ho až tak veľa, takže prevádzková teplota sa udržiava v oblasti 40-80°C.
Obr.1. Princíp činnosti palivového článku
Existujú aj iné typy palivových článkov, ktoré sa líšia najmä typom použitého elektrolytu. Takmer všetky vyžadujú ako palivo vodík, a tak vzniká logická otázka: kde ho získať. Samozrejme, že by bolo možné použiť stlačený vodík z tlakových fliaš, ale okamžite sa vyskytli problémy spojené s prepravou a skladovaním tohto vysoko horľavého plynu pod vysokým tlakom. Samozrejme, môžete použiť vodík vo viazanej forme, ako v batériách s hydridom kovu. Úloha jeho ťažby a prepravy však stále zostáva, pretože infraštruktúra pre čerpacie stanice vodíka neexistuje.
Aj tu však existuje riešenie – ako zdroj vodíka možno použiť kvapalné uhľovodíkové palivo. Napríklad etyl alebo metylalkohol. Pravda, tu je už potrebné špeciálne prídavné zariadenie - konvertor paliva, ktorý pri vysokej teplote (pre metanol to bude niekde okolo 240 °C) premieňa alkoholy na zmes plynného H2 a CO2. Ale v tomto prípade je už ťažšie myslieť na prenosnosť - takéto zariadenia je dobré používať ako stacionárne alebo, ale pre kompaktné mobilné zariadenia potrebujete niečo menej objemné.
A tu sa dostávame k samotnému zariadeniu, ktoré so strašnou silou vyvíjajú takmer všetci najväčší výrobcovia elektroniky - metanolový palivový článok(Obrázok 2).
Obr.2. Princíp činnosti palivového článku na metanol
Zásadným rozdielom medzi vodíkovými a metanolovými palivovými článkami je použitý katalyzátor. Katalyzátor v metanolovom palivovom článku umožňuje odoberanie protónov priamo z molekuly alkoholu. Otázka s palivom je teda vyriešená - metylalkohol sa sériovo vyrába pre chemický priemysel, ľahko sa skladuje a prepravuje a na nabitie metanolového palivového článku stačí jednoducho vymeniť palivovú kartušu. Je pravda, že existuje jedno významné mínus - metanol je toxický. Navyše, účinnosť metanolového palivového článku je oveľa nižšia ako u vodíkového palivového článku.
Ryža. 3. Metanolový palivový článok
Najlákavejšou možnosťou je použitie etylalkoholu ako paliva, keďže výroba a distribúcia alkoholických nápojov akéhokoľvek zloženia a sily je dobre zavedená na celom svete. Účinnosť etanolových palivových článkov je však, žiaľ, ešte nižšia ako u metanolových palivových článkov.
Ako bolo poznamenané počas mnohých rokov vývoja palivových článkov, boli vyrobené rôzne typy palivových článkov. Palivové články sú klasifikované podľa elektrolytu a typu paliva.
1. Tuhý polymér vodík-kyslíkový elektrolyt.
2. Tuhé polymérne metanolové palivové články.
3. Prvky na alkalickom elektrolyte.
4. Palivové články s kyselinou fosforečnou.
5. Palivové články na roztavených uhličitanoch.
6. Palivové články s pevným oxidom.
V ideálnom prípade je účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, ale v reálnych podmienkach dochádza k stratám spojeným s nerovnovážnymi procesmi, ako sú: ohmické straty v dôsledku špecifickej vodivosti elektrolytu a elektród, aktivačná a koncentračná polarizácia, difúzne straty. V dôsledku toho sa časť energie vytvorenej v palivových článkoch premení na teplo. Úsilie špecialistov je zamerané na zníženie týchto strát.
Hlavným zdrojom ohmických strát, ako aj dôvodom vysokej ceny palivových článkov, sú perfluórované sulfokationické iónomeničové membrány. Teraz sa hľadajú alternatívne, lacnejšie protóny vodivé polyméry. Keďže vodivosť týchto membrán (pevných elektrolytov) dosahuje prijateľnú hodnotu (10 Ω/cm) len v prítomnosti vody, plyny privádzané do palivového článku musia byť dodatočne zvlhčované v špeciálnom zariadení, čo tiež zvyšuje cenu systém. V katalytických plynových difúznych elektródach sa používa najmä platina a niektoré ďalšie ušľachtilé kovy, zatiaľ sa za ne nenašla náhrada. Hoci obsah platiny v palivových článkoch je niekoľko mg/cm2, pri veľkých batériách jej množstvo dosahuje desiatky gramov.
Pri navrhovaní palivových článkov sa veľká pozornosť venuje systému odvodu tepla, pretože pri vysokých prúdových hustotách (až 1 A/cm2) sa systém samovoľne zahrieva. Na chladenie sa používa voda cirkulujúca v palivovom článku cez špeciálne kanály a pri nízkom výkone sa fúka vzduch.
Moderný systém elektrochemického generátora je teda okrem samotnej batérie palivových článkov „prerastený“ mnohými pomocnými zariadeniami, ako sú: čerpadlá, kompresor na prívod vzduchu, prívod vodíka, zvlhčovač plynu, chladiaca jednotka, systém kontroly úniku plynu, menič jednosmerného prúdu na striedavý prúd, riadiaci procesor a iné.To všetko vedie k tomu, že náklady na systém palivových článkov v rokoch 2004-2005 boli 2-3 tisíc $/kW. Podľa odborníkov budú palivové články dostupné pre použitie v doprave a v stacionárnych elektrárňach za cenu 50-100 $/kW.
Na zavedenie palivových článkov do každodenného života spolu s lacnejšími komponentmi treba očakávať nové originálne nápady a prístupy. Veľké nádeje sa spájajú najmä s využívaním nanomateriálov a nanotechnológií. Napríklad niekoľko spoločností nedávno oznámilo vytvorenie ultraúčinných katalyzátorov, najmä pre kyslíkovú elektródu, založených na zhlukoch nanočastíc z rôznych kovov. Okrem toho sa objavili správy o konštrukciách bezmembránových palivových článkov, v ktorých sa kvapalné palivo (napr. metanol) privádza do palivového článku spolu s oxidačným činidlom. Zaujímavý je aj vyvinutý koncept biopalivových článkov pracujúcich v znečistených vodách a spotrebúvajúcich rozpustený vzdušný kyslík ako oxidačné činidlo a organické nečistoty ako palivo.
Odborníci predpovedajú, že palivové články vstúpia na masový trh v najbližších rokoch. Vývojári jeden po druhom prekonávajú technické problémy, podávajú správy o úspechoch a prezentujú prototypy palivových článkov. Napríklad Toshiba predviedla hotový prototyp metanolového palivového článku. Má rozmer 22x56x4,5mm a dáva výkon cca 100mW. Jedna náplň 2 kociek koncentrovaného (99,5%) metanolu vystačí na 20 hodín prevádzky MP3 prehrávača. Toshiba uviedla na trh komerčný palivový článok na napájanie mobilných telefónov. Tá istá Toshiba opäť predviedla napájací prvok notebooku 275x75x40mm, ktorý umožňuje počítaču pracovať 5 hodín na jedno nabitie.
Nezaostáva za Toshibou a ďalšou japonskou spoločnosťou – Fujitsu. V roku 2004 predstavila aj prvok, ktorý funguje na 30 % vodnom roztoku metanolu. Tento palivový článok bežal na jednu 300 ml náplň po dobu 10 hodín a zároveň produkoval 15 wattov výkonu.
Casio vyvíja palivový článok, v ktorom sa metanol najskôr v miniatúrnom palivovom konvertore spracuje na zmes plynov H2 a CO2 a následne sa privedie do palivového článku. Počas ukážky prototyp Casio poháňal notebook 20 hodín.
Samsung si urobil meno aj na poli palivových článkov – v roku 2004 predviedol svoj 12 W prototyp určený na napájanie notebooku. Vo všeobecnosti má Samsung v úmysle použiť palivové články predovšetkým v smartfónoch štvrtej generácie.
Musím povedať, že japonské spoločnosti vo všeobecnosti pristupovali k vývoju palivových článkov veľmi dôkladne. Ešte v roku 2003 spojili svoje sily spoločnosti ako Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony a Toshiba, aby vyvinuli spoločný štandard palivových článkov pre notebooky, mobilné telefóny, PDA a ďalšie elektronické zariadenia. Americké firmy, ktorých je na tomto trhu tiež dosť, väčšinou pracujú na základe zmlúv s armádou a vyvíjajú palivové články na elektrifikáciu amerických vojakov.
Nemci nezaostávajú – spoločnosť Smart Fuel Cell predáva palivové články na pohon mobilnej kancelárie. Zariadenie sa volá Smart Fuel Cell C25, má rozmery 150x112x65mm a na jedno nabitie dokáže vyprodukovať až 140 watthodín. To stačí na napájanie notebooku približne 7 hodín. Potom je možné kazetu vymeniť a môžete pokračovať v práci. Veľkosť metanolovej kartuše je 99x63x27 mm a váži 150g. Samotný systém váži 1,1 kg, takže ho nemožno nazvať úplne prenosným, no napriek tomu je to úplne hotové a pohodlné zariadenie. Spoločnosť tiež vyvíja palivový modul pre napájanie profesionálnych videokamier.
Vo všeobecnosti palivové články takmer vstúpili na trh mobilnej elektroniky. Výrobcovia musia pred spustením sériovej výroby vyriešiť posledné technické problémy.
Najprv je potrebné vyriešiť otázku miniaturizácie palivových článkov. Koniec koncov, čím menší je palivový článok, tým menej energie môže produkovať - preto sa neustále vyvíjajú nové katalyzátory a elektródy, ktoré umožňujú pri malých rozmeroch maximalizovať pracovnú plochu. Tu prichádza veľmi vhod najnovší vývoj v oblasti nanotechnológií a nanomateriálov (napríklad nanorúrky). Pre miniaturizáciu potrubí prvkov (palivové a vodné čerpadlá, chladiace systémy a konverzia paliva) sa opäť stále viac využívajú výdobytky mikroelektromechaniky.
Druhou dôležitou otázkou, ktorú treba riešiť, je cena. Koniec koncov, veľmi drahá platina sa používa ako katalyzátor vo väčšine palivových článkov. Niektorí z výrobcov sa opäť snažia vyťažiť maximum z už osvedčených kremíkových technológií.
Čo sa týka iných oblastí využitia palivových článkov, tam sa palivové články už pevne etablovali, aj keď sa ešte nestali hlavným prúdom ani v energetike, ani v doprave. Mnoho výrobcov automobilov už predstavilo svoje koncepčné autá poháňané palivovými článkami. Autobusy na palivové články jazdia v niekoľkých mestách po celom svete. Canadian Ballard Power Systems vyrába rad stacionárnych generátorov s výkonom od 1 do 250 kW. Zároveň sú kilowattové generátory určené na okamžité zásobovanie jedného bytu elektrinou, teplom a teplou vodou.
Palivový článok je zariadenie na elektrochemickú premenu energie, ktoré chemickou reakciou premieňa vodík a kyslík na elektrinu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a následne použiť na uskladnenie elektrickej energie.
Vynálezcom palivového článku je William R. Grove, ktorý ho vynašiel už v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo vodík, ktorý sa spojil s kyslíkom v oxidačnom médiu . Treba si uvedomiť, že donedávna sa palivové články používali len v laboratóriách a na kozmických lodiach.
V budúcnosti budú palivové články schopné konkurovať mnohým ďalším systémom premeny energie (vrátane plynových turbín v elektrárňach), spaľovacím motorom v automobiloch a elektrickým batériám v prenosných zariadeniach. Spaľovacie motory spaľujú palivo a využívajú tlak vytvorený expanziou spalín na vykonávanie mechanickej práce. Batérie uchovávajú elektrickú energiu a potom ju premieňajú na chemickú energiu, ktorá sa v prípade potreby môže premeniť späť na elektrickú energiu. Palivové články sú potenciálne veľmi účinné. Už v roku 1824 francúzsky vedec Carnot dokázal, že cykly kompresie a expanzie spaľovacieho motora nedokážu zabezpečiť účinnosť premeny tepelnej energie (čo je chemická energia spaľovania paliva) na mechanickú energiu nad 50 %. Palivový článok nemá žiadne pohyblivé časti (aspoň nie vo vnútri samotného článku), a preto sa neriadia Carnotovým zákonom. Prirodzene, budú mať viac ako 50% účinnosť a sú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami sú teda pripravené byť (a už sa preukázalo, že sú) palivovo úspornejšie ako konvenčné vozidlá v reálnych jazdných podmienkach.
Palivový článok generuje jednosmerný elektrický prúd, ktorý možno použiť na pohon elektrického motora, svietidiel a iných elektrických systémov vo vozidle. Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sa zvyčajne klasifikujú podľa typu elektrolytu, ktorý používajú. Niektoré typy palivových článkov sú perspektívne pre použitie v elektrárňach, zatiaľ čo iné môžu byť užitočné pre malé prenosné zariadenia alebo pre riadenie automobilov.
Alkalický palivový článok je jedným z prvých vyvinutých prvkov. Od 60. rokov ich využíval americký vesmírny program. Takéto palivové články sú veľmi náchylné na kontamináciu, a preto vyžadujú veľmi čistý vodík a kyslík. Navyše sú veľmi drahé, a preto tento typ palivových článkov pravdepodobne nenájde široké uplatnenie v automobiloch.
Palivové články na báze kyseliny fosforečnej možno použiť v stacionárnych inštaláciách s nízkym výkonom. Pracujú pri pomerne vysokých teplotách, a preto sa dlho zahrievajú, čo ich robí neefektívnymi na použitie v automobiloch.
Palivové články s pevným oxidom sú vhodnejšie pre veľké stacionárne generátory energie, ktoré by mohli poskytovať elektrinu továrňam alebo komunitám. Tento typ palivového článku pracuje pri veľmi vysokých teplotách (asi 1000 °C). Vysoká prevádzková teplota vytvára určité problémy, no na druhej strane je tu aj výhoda – para produkovaná palivovým článkom môže byť posielaná do turbín, aby vyrábali viac elektriny. Celkovo to zlepšuje celkovú efektivitu systému.
Jedným z najsľubnejších systémov je palivový článok s protónovou výmennou membránou – POMFC (PEMFC – Protone Exchange Membrane Fuel Cell). V súčasnosti je tento typ palivových článkov najsľubnejší, pretože môže poháňať autá, autobusy a iné vozidlá.
Chemické procesy v palivovom článku
Palivové články využívajú elektrochemický proces na spojenie vodíka s kyslíkom zo vzduchu. Podobne ako batérie, aj palivové články využívajú elektródy (pevné elektrické vodiče) v elektrolyte (elektricky vodivom médiu). Keď sa molekuly vodíka dostanú do kontaktu so zápornou elektródou (anódou), táto sa rozdelí na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez membránu na výmenu protónov (POM) ku kladnej elektróde (katóde) palivového článku a vyrábajú elektrinu. Existuje chemická kombinácia molekúl vodíka a kyslíka s tvorbou vody, ktorá je vedľajším produktom tejto reakcie. Jediným typom emisií z palivového článku je vodná para.
Elektrina vyrobená palivovými článkami sa môže použiť v elektrickom pohonnom ústrojenstve vozidla (pozostávajúcom z meniča elektrickej energie a indukčného motora na striedavý prúd) na zabezpečenie mechanickej energie na pohon vozidla. Úlohou meniča výkonu je premieňať jednosmerný prúd produkovaný palivovými článkami na striedavý prúd, ktorý využíva trakčný motor vozidla.
Schematický diagram palivového článku s membránou na výmenu protónov:
1 - anóda;
2 - membrána na výmenu protónov (REM);
3 - katalyzátor (červený);
4 - katóda
Protónový výmenný membránový palivový článok (PEMFC) využíva jednu z najjednoduchších reakcií zo všetkých palivových článkov.
Samostatný palivový článok
Zvážte, ako funguje palivový článok. Anóda, záporný pól palivového článku, vedie elektróny, ktoré sa zbavia molekúl vodíka, aby mohli byť použité vo vonkajšom elektrickom obvode (obvode). Na tento účel sú v ňom vyryté kanály, ktoré rozdeľujú vodík rovnomerne po celom povrchu katalyzátora. Katóda (kladný pól palivového článku) má vyryté kanály, ktoré rozvádzajú kyslík po povrchu katalyzátora. Tiež vedie elektróny späť z vonkajšieho okruhu (okruhu) do katalyzátora, kde sa môžu spojiť s vodíkovými iónmi a kyslíkom za vzniku vody. Elektrolytom je membrána na výmenu protónov. Ide o špeciálny materiál, podobný bežnému plastu, ale so schopnosťou prepúšťať kladne nabité ióny a blokovať prechod elektrónov.
Katalyzátor je špeciálny materiál, ktorý uľahčuje reakciu medzi kyslíkom a vodíkom. Katalyzátor je zvyčajne vyrobený z platinového prášku naneseného vo veľmi tenkej vrstve na uhlíkovom papieri alebo tkanine. Katalyzátor musí byť drsný a pórovitý, aby sa jeho povrch čo najviac dostal do kontaktu s vodíkom a kyslíkom. Platinou potiahnutá strana katalyzátora je pred protónovou výmennou membránou (POM).
Plynný vodík (H 2 ) sa do palivového článku privádza pod tlakom zo strany anódy. Keď sa molekula H2 dostane do kontaktu s platinou na katalyzátore, rozdelí sa na dve časti, dva ióny (H+) a dva elektróny (e–). Elektróny sú vedené cez anódu, kde prechádzajú vonkajším obvodom (obvodom), kde vykonávajú užitočnú prácu (napr. poháňajú elektromotor) a vracajú sa z katódovej strany palivového článku.
Medzitým sa z katódovej strany palivového článku plynný kyslík (O 2 ) tlačí cez katalyzátor, kde vytvára dva atómy kyslíka. Každý z týchto atómov má silný záporný náboj, ktorý priťahuje dva ióny H+ cez membránu, kde sa spoja s atómom kyslíka a dvoma elektrónmi z vonkajšej slučky (reťazca) za vzniku molekuly vody (H 2 O).
Táto reakcia v jedinom palivovom článku produkuje výkon približne 0,7 wattu. Aby sa výkon zvýšil na požadovanú úroveň, je potrebné skombinovať veľa jednotlivých palivových článkov, aby vytvorili súbor palivových článkov.
Palivové články POM pracujú pri relatívne nízkej teplote (asi 80 °C), čo znamená, že sa dajú rýchlo zahriať na prevádzkovú teplotu a nevyžadujú drahé chladiace systémy. Neustálym zdokonaľovaním technológie a materiálov používaných v týchto článkoch sa ich výkon priblížil na úroveň, kedy batéria takýchto palivových článkov, zaberajúca malú časť kufra auta, môže poskytnúť energiu potrebnú na pohon auta.
Počas posledných rokov väčšina popredných svetových výrobcov automobilov investovala značné prostriedky do vývoja automobilových konštrukcií využívajúcich palivové články. Mnohí už predviedli vozidlá s palivovými článkami s uspokojivým výkonom a dynamickými vlastnosťami, hoci boli dosť drahé.
Vylepšovanie dizajnu takýchto áut je veľmi intenzívne.
Vozidlo na palivové články, využíva elektráreň umiestnenú pod podlahou vozidla
Vozidlo NECAR V vychádza z vozidla Mercedes-Benz triedy A, pričom celá elektráreň spolu s palivovými článkami je umiestnená pod podlahou vozidla. Takéto konštruktívne riešenie umožňuje umiestniť do auta štyroch cestujúcich a batožinu. Tu sa ako palivo pre auto nepoužíva vodík, ale metanol. Metanol sa pomocou reformátora (zariadenia, ktoré premieňa metanol na vodík) premieňa na vodík, ktorý je nevyhnutný pre pohon palivového článku. Použitie reformátora na palube auta umožňuje použiť ako palivo takmer akýkoľvek uhľovodík, čo umožňuje tankovať auto s palivovými článkami pomocou existujúcej siete čerpacích staníc. Teoreticky palivové články neprodukujú nič iné ako elektrinu a vodu. Premena paliva (benzínu alebo metanolu) na vodík potrebný pre palivový článok trochu znižuje environmentálnu príťažlivosť takéhoto vozidla.
Spoločnosť Honda, ktorá pôsobí v oblasti palivových článkov od roku 1989, vyrobila v roku 2003 malú sériu vozidiel Honda FCX-V4 s palivovými článkami typu Ballard s protónovou výmennou membránou. Tieto palivové články generujú elektrický výkon 78 kW a na pohon hnacích kolies sú použité trakčné motory s výkonom 60 kW a krútiacim momentom 272 N m. Má výbornú dynamiku a prísun stlačeného vodíka umožňuje jazdu do 355 km.
Honda FCX využíva na svoj pohon energiu palivových článkov.
Honda FCX je prvé vozidlo na svete s palivovými článkami, ktoré získalo vládnu certifikáciu v Spojených štátoch. Auto má certifikáciu ZEV – vozidlo s nulovými emisiami (zero pollution vehicle). Honda sa zatiaľ nechystá tieto autá predávať, ale prenajíma si približne 30 áut na kus. Kalifornia a Tokio, kde už existuje infraštruktúra na zásobovanie vodíkom.
Koncepčný automobil Hy Wire od General Motors má elektráreň s palivovými článkami
Veľký výskum vývoja a výroby vozidiel s palivovými článkami vykonáva General Motors.
Hy Wire podvozok vozidla
Koncepčný automobil GM Hy Wire získal 26 patentov. Základom auta je funkčná platforma s hrúbkou 150 mm. Vo vnútri platformy sú vodíkové fľaše, elektráreň s palivovými článkami a riadiace systémy vozidla využívajúce najnovšiu elektronickú technológiu ovládania po drôte. Podvozok auta Hy Wire je tenká platforma, ktorá obsahuje všetky hlavné konštrukčné prvky auta: vodíkové valce, palivové články, batérie, elektromotory a riadiace systémy. Tento prístup k dizajnu umožňuje meniť karosérie automobilov počas prevádzky.Spoločnosť tiež testuje experimentálne vozidlá Opel s palivovými článkami a navrhuje závod na výrobu palivových článkov.
Návrh "bezpečnej" palivovej nádrže na skvapalnený vodík:
1 - plniace zariadenie;
2 - vonkajšia nádrž;
3 - podpery;
4 - snímač hladiny;
5 - vnútorná nádrž;
6 - plniaca linka;
7 - izolácia a vákuum;
8 - ohrievač;
9 - montážna krabica
BMW venuje veľkú pozornosť problému využívania vodíka ako paliva pre automobily. Spoločne s Magna Steyer, preslávená svojou prácou na využití skvapalneného vodíka vo vesmírnom výskume, BMW vyvinulo palivovú nádrž na skvapalnený vodík, ktorú možno použiť v automobiloch.
Testy potvrdili bezpečnosť používania palivovej nádrže s kvapalným vodíkom
Spoločnosť vykonala sériu testov bezpečnosti konštrukcie podľa štandardných metód a potvrdila jej spoľahlivosť.
V roku 2002 sa na autosalóne vo Frankfurte (Nemecko) ukázal Mini Cooper Hydrogen, ktorý ako palivo využíva skvapalnený vodík. Palivová nádrž tohto auta zaberá rovnaký priestor ako bežná plynová nádrž. Vodík sa v tomto aute nepoužíva na palivové články, ale ako palivo pre spaľovacie motory.
Prvý sériovo vyrábaný automobil na svete s palivovým článkom namiesto batérie
V roku 2003 BMW oznámilo uvedenie prvého sériovo vyrábaného vozidla s palivovými článkami, BMW 750 hL. Namiesto klasickej batérie sa používa batéria s palivovými článkami. Toto auto má 12-valcový spaľovací motor poháňaný vodíkom a palivový článok slúži ako alternatíva ku klasickej batérii, čo umožňuje klimatizácii a iným spotrebičom pracovať, keď je auto na dlhší čas odstavené s vypnutým motorom.
Tankovanie vodíka vykonáva robot, vodič nie je zapojený do tohto procesu
Tá istá spoločnosť BMW vyvinula aj robotické dávkovače paliva, ktoré umožňujú rýchle a bezpečné tankovanie skvapalneného vodíka do áut.
Veľký počet vývojov zameraných na vytváranie vozidiel využívajúcich alternatívne palivá a alternatívne elektrárne v posledných rokoch naznačuje, že spaľovacie motory, ktoré dominovali automobilom v minulom storočí, nakoniec ustúpia čistejším, efektívnejším a tichším dizajnom. Ich širokému využívaniu v súčasnosti bránia nie technické, ale skôr ekonomické a sociálne problémy. Pre ich široké využitie je potrebné vytvoriť určitú infraštruktúru pre rozvoj výroby alternatívnych palív, vznik a distribúciu nových čerpacích staníc a prekonať množstvo psychologických bariér. Používanie vodíka ako paliva vozidla si bude vyžadovať riešenie problémov so skladovaním, dodávkou a distribúciou a zaviesť seriózne bezpečnostné opatrenia.
Teoreticky je vodík dostupný v neobmedzenom množstve, no jeho výroba je energeticky veľmi náročná. Okrem toho, aby sa autá premenili na vodíkové palivo, musia sa urobiť dve veľké zmeny v elektrickom systéme: po prvé, presunutie jeho prevádzky z benzínu na metanol a potom na nejaký čas na vodík. Kým sa tento problém vyrieši, potrvá nejaký čas.