Energetické využití palivových článků

Co je to palivový článek?

Palivový článek (J. Robert, 1977) je měnič, v němž se uvolňuje chemická energie během oxido-redukční reakce a transformuje se v energii elektrickou. Získanou elektrickou energii můžeme použít např. k napájení elektromotoru, který může pohánět vozidlo. Palivový článek je možno si představit jako elektrolýzu úplně naruby. Totiž tak, že k jedné elektrodě přivádíme vodík (nebo případně uhlovodíkové palivo), ke druhé elektrodě kyslík nebo okysličovadlo, přitom je mezi elektrodami místo vody jiný vhodný elektrolyt a za přítomnosti katalyzátoru zde dochází k chemickému slučování kyslíku a vodíku na vodu, přitom na elektrodách vzniká elektrické napětí a mimo to reakce produkuje obvykle i teplo. Ale žádný plamen, žádné výbuchy, v naprosté tichosti probíhá přímá přeměna energie paliva na elektrickou energii. Navíc prakticky nevznikají žádné škodlivé emise, pouze vodní pára (při použití uhlovodíků též kysličník uhličitý).

Palivové články postavené na bázi vodíku nabízejí oproti methanolovému řešení mnohem více energie, avšak zásadním problémem je uchovávání vodíku, který není v mobilních zařízeních možné skladovat pod vysokým tlakem či v kapalném stavu.

Avšak vědci z americké Purdue University (Dr. Seitz- Mirror group, 2005) přišli na to, jak s vodíkem bezpečně manipulovat. Ke svým pokusům totiž využili hydroboritan sodný, což je gel vytvořený spojením vody a polyakrylamidu, a malé hliníkové částice. Pro tuto směs využili kombinaci dvou známých metod, jak vytvořit vodík. První z nich, která je známa už od druhé světové války, vyžaduje při získávání vodíku přítomnost poměrně drahého katalyzátoru, zatímco druhá diky pracuje na principu vylučování vodíku při vhození částic hliníku do vody. Vědci kombinaci obou způsobů nazvali jako trojnou směs hydroboritanu, kovu a vody (triple borohydride-metal-water mixture), jež pro aktivaci vylučování vodíku nepotřebuje katalyzátor a přitom funguje jako dostatečný zdroj pro potřeby palivových článků. První pokusy naznačují, že vodík lze získat ze 6,7 % směsi, jinými slovy, že ze 100gramové patrony zdrojového materiálu lze využít až sedm gramů vodíku. Podle některých poznatků by prý uvedený podíl mohl v blízké době stoupnout na 8-10 %

Historie palivových článků

Praktická aplikace palivových článků není nijak nová (Jan Bouček,2001), už v šedesátých letech byly užívány v kosmickém výzkumu například v projektu Apollo, kde byl potřeba lehký a ekologicky čistý zdroj tepla i napájení přístrojů. Na přelomu osmdesátých a devadesátých let byly prakticky tytéž palivové články použity například v pokusném nízkoenergetickém domě Fraunhofferova ústavu. Spotřebovávaly zde vodík, vyrobený přes léto elektrolýzou vody elektrickým proudem, získaným ze sluneční energie pomocí fotovoltaických článků. Byla ověřena dobrá funkce systému, přičemž palivové články byly umístěny dokonce přímo ve vzduchovodu klimatizace domu.

Druhy palivových článků

Přenosné palivové články (miniaturní články) – zdroje elektrické energie pro elektronické přístroje, například pro notebooky, digitální fotoaparáty, záložní zdroje energie (UPS) pro stolní počítače, zdroje energie pro přenosné vysílače atp. Typický jmenovitý výkon těchto zařízení je v řádu desítek wattů a povětšinou se jedná o tzv. nízkoteplotní palivové články – membránové či přímé etanolové palivové články (PEM FC, DMFC).

Mobilní palivové články – zdroje elektrické energie v nejrůznějších dopravních prostředcích. Vývoj těchto článků je zaměřen zejména na pohonné jednotky pro osobní automobily s typickými výkony v řádu desítek kilowattů na bázi iontoměničných membrán (PEM FC), které jako palivo využívají především plynný či zkapalněný vodík, popř. metanol. Ostatní aplikace mobilní palivových článků pokrývají široké spektrum využití i výkonů: jízdní kola, malé nákladní automobily a vozítka, autobusy; či speciální aplikace – výzkumné ponorky, kajak atp.

Stacionární palivové články – zdroje elektrické a tepelné energie s širokým rozsahem instalovaných výkonů v závislosti na předpokládaném využití a dané specifikaci. Pro stacionární články se využívají všechny typy článků s výjimkou alkalických a přímých metanolových. Články s rozsahem jednotek kilowatt jsou určeny jako výhradní zdroj energie pro zajištění dodávek elektřiny a tepla do ucelených systémů (např.: pro byty a rodinné domy) nebo jako záložní zdroj většího rozsahu s využitím odpadního tepla produkovaného palivovým článkem. Články s výkonem v řádu desítek až stovek kilowatt se využívají jako zdroje energie (většinou jako součást bivalentního systému) pro větší celky (např.: administrativní budovy, telekomunikační budovy, hotely) nemocnice). Typickým primárním palivem je zemní, popř. degazační, plyn, který je nutné na vstupu do palivového článku tzv. reformovat na vodík.

Speciální palivové články – jsou zařízení určené zejména jako zdroje elektřiny pro kosmický výzkum, kde se využívají jedině alkalické palivové články (AFC) spotřebávající velmi čistý vodík. Důvodem je extrémně vysoká cena těchto článku (USD/kW), neboť elektrody jsou vyráběny ze zlata či platiny. Výhodou je stabilita a jejich vysoká provozní spolehlivost. Například vesmírný program SKYLAB americké vesmírné agentury NASA využíval alkalických článků v extrémních podmínkách kosmického prostoru po dobu delší než patnáct let bez jediné poruchy. ( HY-CO, 2004)

Využití vodíku v palivových článcích

Pohonnou jednotkou (HY-CO, 2004) ve vozidle elektromotor a elektřina pro něj je, na rozdíl od elektromobilů poháněných akumulátory, vyráběna přímo ve vozidle v palivových článcích. Elektřina vzniká exotermní elektrochemickou reakcí samotného vodíku (stlačeného nebo zkapalněného), nebo vodíku chemicky vyvinutého rovněž v automobilu (např. ze zemního plynu, metanolu, benzínu apod.) s kyslíkem (ze vzduchu). Kromě elektřiny vzniká také voda nebo vodní pára. Nejedná se tedy o spalování paliva, nýbrž o chemickou reakci - opak elektrolýzy

Proti klasickým akumulátorům elektromotorů mají palivové články řadu výhod, především:

• vyšší jízdní dojezd
• ekologickou čistotu
• vyřazené palivové články nezatěžují životní prostředí těžkými kovy jako klasické olověné akumulátory

Řada světových automobilek již řadu let palivové články pro automobily vyvíjí, několik desítek automobilů již v praxi jezdí a je jen otázkou času, kdy palivové články nahradí klasické pohonné hmoty. Díky mnohem menším nákladům na spalovací motory v porovnání s palivovými články se zdá, že varianta spalování vodíku bude preferovanějším řešením do doby výrazného snížení nákladů palivových článků nebo do doby zvýšení jejich účinnosti energetické přeměny.

Je potřeba zdůraznit, že vodík není energickým zdrojem, ale nosičem energie !!!

Vodík má výhody (obdobně jako elektřina), že může být vyráběn z různých energetických zdrojů a (na rozdíl od elektřiny) může být skladován. Může být vyráběn elektřinou vyráběnou z nízkouhlíkatých paliv (zemní plyn) nebo elektřinou nukleární nebo z obnovitelných zdrojů. Budoucnost ukáže, zda přímé užití zemního plynu jako paliva nebo jeho konverze na vodík a následné užití v palivových článcích přinese větší výhody.

Palivová články v ČR

Ve čtvrtek 14. dubna 2005 (ČEA 2005, roč. 10)) byla slavnostně otevřena laboratoř vodíkového palivového článku v areálu Fakulty Elektrotechnické Českého vysokého učení technického v Praze. Pilotní projekt energetického využití palivových článků realizovaný společností ENVIROS byl podpořen v rámci Národního programu na podporu energetických úspor a využití obnovitelných zdrojů energie v roce 2004. Vodíkové palivové články jsou velmi perspektivní technologií výroby elektřiny a tepla s nulovou produkcí emisí znečišťujících látek. Slavnostní přestřižení pásky provedli náměstek ministra průmyslu a obchodu Ing. Martin Pecina, MBA, a děkan elektrotechnické fakulty Prof. Vladimír Kučera, otevření se dále zúčastnili zástupci České energetické agentury, vysokých škol, Operátora trhu s elektřinou, Akademie věd ČR, Státního fondu životního prostředí a jiných institucí.

Cílem pilotního projektu je představení moderní alternativní technologie kombinované výroby elektřiny a tepla v České republice, demonstrace zařízení v provozu včetně měření typových průběhů zatěžování, ověření možností využití jako kogeneračního zdroje energie. Druhotným záměrem pilotního projektu je zapojení vědeckého pracoviště do přípravy a zejména do provozování technologie palivového článku s cílem přiblížení této nové technologie studentům elektotechnické fakulty – budoucím energetickým manažerům.

Technologie palivového článku bude umístěna ve speciálně upravené laboratoři umožňující pořádání odborných seminářů a presentačních akcí zaměřených také na české průmyslové a výrobní firmy s cílem podpořit případnou spolupráci.

Projekt byl podpořen Českou energetickou agenturou a je zaměřen na palivové články s výkony v řádu jednotek kilowatt, určené zejména pro zajištění dodávek energie do rodinných domů a bytových jednotek.

Projekt byl připravován ve spolupráci s ČVUT FEL v Praze, katedrou elektroenergetiky, kde je vlastní technologie umístěna v samostatné laboratoři spolu s měřícím pracovištěm speciálně vybaveným k provádění příslušných měření, popř. ke kontrole chodu palivového článku.

Laboratoř s palivovým článkem je umístěna v těsném sousedství s počítačovou laboratoří a s přednáškovou místností, vhodnou zejména k výuce, presentaci technologie a k pořádání seminářů.

Tepelná energie vyrobená palivovým článkem bude využita k vytápění laboratoře, elektrická energie bude dodávána do rozvodné sítě přes příslušné měřící zařízení.

Technologická pravidla výrobce k provozování palivového článku budou dodržena, včetně metodiky sběru dat, veškeré podpůrné technologie budou splňovat příslušné bezpečnostní normy.

Konečným cílem projektu bylo a je představení inovativní technologie palivových článků odborné i laické veřejnosti, studentům elektrotechnické fakulty a zástupcům českého průmyslu, s tímto záměrem byl přímo na půdě elektrofakulty uspořádán odborný seminář, spojený s presentací technologie palivového článku.

Následným cílem tohoto projektu je uvedení technologie palivových článků do České republiky, spolu s možností spolupráce na výzkumu, či kooperační výroby komponent palivových článků.

Závěr

Téměř všechny významné světové automobilky se již zabývají technologiemi pohonu motorových vozidel vodíkem a palivovými články. Např. General Motors testuje vůz, který k pohonu využívá tekutý vodík. Zkouší i vůz s jinou vodíkovou technologií. A společnosti Toyota a Honda vyvinuly také své vlastní modely aut, jejichž pohon zajišťují palivové články pracující na bázi vodíku. Pozadu nezůstávají ani další (BMW Mercedes, Opel a další).

Spojené státy i Evropská unie však počítají, že ke zlomu ve využití vodíkových technologií může dojít nejdříve v roce 2020. Výroba vodíku je totiž nyní čtyřikrát dražší než benzín či nafta, a to i přesto, že by byl vyráběn z nejlevnějšího zdroje, ze zemního plynu. Také výroba vodíkových palivových článků je nyní desetkrát dražší než výroba současných spalovacích systémů. Další náklady si vyžádá skladovací infrastruktura vodíku a její dostupnost, která by se mohla srovnávat s rozvinutou současnou sítí čerpacích stanic na benzín a naftu.

Vyspělé státy jsou k úsilí o využití vodíkové technologie nuceny hlavně tím, že v příštích dvaceti letech by při současném stavu automobilového pohonu musely dovážet až 70 procent i více své spotřeby ropy, a to z oblastí, které představují bezpečnostní riziko. Vodík se přitom dá vyrábět z domácích zdrojů, jako jsou zemní plyn, uhlí, biomasa i voda.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu