Palivové články

Palivové články přímo přeměňují chemickou energii na elektrickou (výroba stejnosměrného proudu). Fungují podobně jako galvanické články, ale na rozdíl od nich produkují energii, dokud je jim dodáváno palivo. Plynulá dodávka paliva tedy znamená plynulou výrobu energie. První palivový článek zkounstruoval již v roce...

Palivové články přímo přeměňují chemickou energii na elektrickou (výroba stejnosměrného proudu). Fungují podobně jako galvanické články, ale na rozdíl od nich produkují energii, dokud je jim dodáváno palivo. Plynulá dodávka paliva tedy znamená plynulou výrobu energie.

První palivový článek zkounstruoval již v roce 1860 velšský vědec Sir William Grove, ale k praktickému nasazení došlo až během 60.let při projektech NASA. Palivové články zajišťovaly energii pro kosmické lodě Gemini a Apollo, dodnes zajišťují dodávku vody a elektřiny pro raketoplány. Důvodem pro využití tehdy byla větší bezpečnost oproti jaderné energii a menší náklady proti fotovoltaice.

Princip činnosti vodíko-kyslíkového článku
V palivovém článku probíhá elektrochemická reakce - slučování vodíku a kyslíku - za vzniku vody a energie. Vodík je přiváděn na "anodu" PČ a kyslík vstupuje přes "katodu". Pro snadné pronikání plynu do elektrolytu jsou využívány porézní elektrody.

Vodík difunduje přes kanálky anody na její povrch, pokrytý katalyzátorem do reakčního prostředí. U katody, kde je přiváděn kyslík, pak dochází k oxidaci paliva. Atomy vodíku se štěpí na kationty vodíku a volné elektrony, které pak přecházejí do vnějšího el. obvodu.

Na anodě pak probíhají reakce za přítomnosti elektronů. Kyslík reaguje u jejího povrchu s částicemi vody za vzniku hydroxinových aniontů.

O2 + 2 H2O + 4 e– → 4 OH-

Ty pak přecházejí elektrolytem na anodu, kde se slučují s kationty vodíku na vodu. Lze tedy shrnout, že elektrony, které odevzdává vodík katodě, se pohybují vnějším obvodem k anodě. Vzniká tak elektrický proud, získaný z chemické reakce. Jednotka palivového článku produkuje stejnosměrný proud s hustotou toku 200 - 400 mA/cm2 o napětí 0,7 V. Pro dosažení vyšších parametrů je nutno jednotlivé jednotky sestavovat do paralelně a sériově zapojených baterií.

Základním palivem pro článek je vodík, nejrozšířenější prvek na Zemi. Palivové články umějí využít paliva jako třeba metanol, etanol, zemní plyn, dokonce i benzín, naftu nebo odpadní vody. Otevřené je i využívání produktů jako bioplyn a dřevní plyn, což nabízí uplatnění OZE. Tato zařízení však vyžadují palivový "reformer", extrahující čistý vodík.

  • V parních reformerech reagují za vysokých teplot zplyněné palivo a vodní páry. Vodík je pak oddělen pomocí membrán. Potřebné teplo se získává spalováním nebo na výstupu z bloku palivových článků.

  • Reformery s částečnou oxidací spalují palivo za vzniku vodíku a oxidu uhelnatého, který pak následně reaguje s vodními parami. Vzniká tak další vodík. Vzniklé teplo je pak dále využíváno.

  • Auto termální reformery využívají současně obou předchozích metod pro dosažení teplotní rovnováhy (vyrovnaný příjem i výdej tepla).

Rozdělení palivových článků
Označení
Druh
Elektrolyt
Pracovní teplota (oC)
AFC
alkalický
roztok hydroxidu
80 - 120
PAFC
s kyselinou fosforečnou
kyselina fosforečná
160 - 220
PEMFC
polymerické
polymerická membrána
80 - 120
MCFC
karbonátové
roztavené uhličitany
600 - 800
SOFC
tuhý elektrolyt
pevné oxidy
650 - 1000


AFC jsou již dlouho využívané při kosmických letech, mohou dosáhnou účinnosti až 70%. Využívají vodný roztok hydroxidu draselného jako elektrolyt, přes kterým se pohybují hydroxinové anionty. Provozní teplota článku závisí na koncentraci elektrolytu. Katalyzátorem na elektrodách je drahá platina, což jednotku značně prodražuje. Typicky mají výkon 300 W až 20 kW. Kromě družic zásobují energií i podmořské stanice, plavidla a vojenská zařízení.

PAFC využívající kyselinu fosforečnou a grafitové porézní elektrody s platinovým povlakovým kondenzátorem jsou dnes nejrozšířenější. Zásobují energií nemocnice, školy a jiné větší celky. Dokáží vyrábět elektřinu z více než 40% účinností a téměř 85% vyrobené páry je pak užito pro kogeneraci. Výhodou PAFC je, že mohou používat nečistý vodík, který se získává ze zemního plynu v reformátorech a konvertorech při teplotě kolem 800 stC, kyslík se čerpá přímo ze vzduchu. Jednotka je pak umístěna v mobilním kontejneru, který se připojí na plynovod a elektrickou síť. Při plném výkonu 200 kWe a 250 kWt spotřebuje jednotka 55 kubickým metrů plynu za hodinu. Používají však nákladný platinový katalyzátor a generují menší proud než ostatní typy palivových článků, další nevýhodou jsou značné rozměry a hmotnost. Každopádně, PAFC jsou zatím nejrozvinutější technologií FC, současné instalace mají výkon až 200 kW, aplikace 1 MW jsou testovány.

PEMFC (někdy SPFC) s polymerickou membránou pracují v nízkých teplotách a mají vysokou hustotu výkonu, mohou rychle měnit svůj výkon podle požadavků a proto jsou vhodné pro aplikace jako automobily, kde je požadován vysoký příkon pro nastartování. Polymerická membrána je tenká plastická folie, která dovolí procházet vodíkovým iontům. Na obou stranách je pokryta katalyzátorem (většinou slitinou platiny). Elektrolytem je tuhý polymer, výhodou jsou malá rizika koroze a lepší řízení reakce.Vodík vstupuje na straně anody a katalyzátor štěpí jeho atomy na ionty. Elektrony vstupují do vnějšího obvodu, kde mohou být využity než se vrátí ke katodě, ke které je přiváděn kyslík. Zároveň, protony (kationty vodíku) difundují membránou (elektrolytem) ke katodě, kde reagují a vytvářejí vodu. Tento typ palivového článku je však bohužel citlivý na nečistoty v palivu. Malé aplikace mohou být zásobovány přímo z vodíkových nádržek. Výkon sestav s PEMFC se pohybuje v intervalu 50-250 kW.

MCFC užívají roztavenou směs uhličitanu lithného a draselného v porézní matici. Jsou slibné z hlediska účinnosti, 60% výroba elektřiny a nebo 85% s kogenerací. Vysoká provozní t

Komentáře

Načítám komentáře...

  • Stavba
  • Autor:
  • Vydáno:

Doporučujeme

Hledáte spolehlivou firmu na sádrokartony?

Zadejte si poptávku v kategoriích: sádrokartony,stavby.
Najdeme Vám ověřené firmy a řemeslníky s referencemi od zákazníků jako například: Sádrokarton, příčky (60m2) a podhledy (80m2), designové úpravy bytu, Půdní nástavba.