Stejně jako existence různých typů motorů s vnitřním spalováním, existují různé typy palivových článků – výběr vhodný typ palivový článek závisí na jeho použití.
palivové články dělíme na vysokoteplotní a nízkoteplotní. Nízkoteplotní palivové články vyžadují jako palivo relativně čistý vodík. To často znamená, že k přeměně primárního paliva (jako je zemní plyn) na čistý vodík je zapotřebí zpracování paliva. Tento proces spotřebovává další energii a vyžaduje speciální vybavení. Vysokoteplotní palivové články nepotřebují tento dodatečný postup, protože mohou „interně přeměnit“ palivo při zvýšených teplotách, což znamená, že není třeba investovat do vodíkové infrastruktury.
Palivové články na roztaveném uhličitanu (MCFC)
Palivové články s roztaveným uhličitanem jsou vysokoteplotní palivové články. Vysoká provozní teplota umožňuje přímé použití zemního plynu bez palivového procesoru a palivového plynu s nízkou výhřevností výrobní procesy a z jiných zdrojů. Tento proces byl vyvinut v polovině 60. let 20. století. Od té doby se výrobní technologie, výkon a spolehlivost zlepšily.
Provoz RCFC se liší od ostatních palivových článků. Tyto články využívají elektrolyt ze směsi roztavených uhličitanových solí. V současné době se používají dva typy směsí: uhličitan lithný a uhličitan draselný nebo uhličitan lithný a uhličitan sodný. K roztavení uhličitanových solí a dosažení vysoký stupeň pohyblivost iontů v elektrolytu, palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytem pracují při vysokých teplotách (650°C). Účinnost se pohybuje mezi 60-80%.
Při zahřátí na teplotu 650°C se soli stávají vodičem pro uhličitanové ionty (CO 3 2-). Tyto ionty přecházejí z katody na anodu, kde se spojují s vodíkem za vzniku vody, oxidu uhličitého a volných elektronů. Tyto elektrony jsou poslány vnějším elektrickým obvodem zpět ke katodě a jako vedlejší produkt generují elektrický proud a teplo.
Anodová reakce: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakce na katodě: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Obecná reakce prvku: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)
Vysoké provozní teploty palivových článků s elektrolytem roztaveného uhličitanu mají určité výhody. Při vysokých teplotách je zemní plyn vnitřně reformován, což eliminuje potřebu procesoru paliva. Mezi výhody navíc patří možnost použití standardních konstrukčních materiálů, jako je nerezový plech a niklový katalyzátor na elektrodách. Odpadní teplo lze využít k výrobě vysokotlaké páry pro různé průmyslové a komerční účely.
Vysoké reakční teploty v elektrolytu mají také své výhody. Použití vysokých teplot trvá dlouho, než dosáhne optimálních provozních podmínek, a systém pomaleji reaguje na změny spotřeby energie. Tyto vlastnosti umožňují použití systémů palivových článků s roztaveným uhličitanovým elektrolytem za podmínek konstantního výkonu. Vysoké teploty zabraňují poškození palivových článků oxidem uhelnatým, „otravě“ atd.
Palivové články s roztaveným uhličitanem jsou vhodné pro použití ve velkých stacionárních instalacích. Průmyslově jsou vyráběny tepelné elektrárny s výstupním elektrickým výkonem 2,8 MW. Vyvíjejí se elektrárny s výstupním výkonem až 100 MW.
Palivové články s kyselinou fosforečnou (PFC)
Palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) byly první palivové články pro komerční využití. Tento proces byl vyvinut v polovině 60. let a od 70. let byl testován. Od té doby se zvýšila stabilita, výkon a náklady.
Palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) využívají elektrolyt na bázi kyseliny ortofosforečné (H 3 PO 4) s koncentrací až 100 %. Iontová vodivost kyseliny fosforečné je při nízkých teplotách nízká, proto se tyto palivové články používají při teplotách do 150–220 °C.
Nosičem náboje v palivových článcích tohoto typu je vodík (H+, proton). Podobný proces probíhá v protonových výměnných membránových palivových článcích (MEFC), ve kterých je vodík přiváděný k anodě štěpen na protony a elektrony. Protony procházejí elektrolytem a spojují se s kyslíkem ze vzduchu na katodě za vzniku vody. Elektrony jsou směrovány podél vnějšího elektrického obvodu a vzniká elektrický proud. Níže jsou uvedeny reakce, které generují elektřinu a teplo.
Reakce na anodě: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakce na katodě: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H20
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H20
Účinnost palivových článků na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) je při výrobě elektrické energie více než 40 %. Při kombinované výrobě tepla a elektřiny je celková účinnost cca 85 %. Navíc při daných provozních teplotách lze odpadní teplo využít k ohřevu vody a výrobě páry při atmosférickém tlaku.
Vysoký výkon tepelných elektráren na palivové články na bázi kyseliny fosforečné (ortofosforečné) při kombinované výrobě tepla a elektřiny je jednou z výhod tohoto typu palivových článků. Závody využívají oxid uhelnatý v koncentraci asi 1,5 %, což značně rozšiřuje výběr paliva. CO 2 navíc neovlivňuje elektrolyt a činnost palivového článku, tento typ článku pracuje s reformovaným přírodním palivem. Jednoduchý design Nízká těkavost elektrolytu a zvýšená stabilita jsou také výhodami tohoto typu palivových článků.
Průmyslově jsou vyráběny tepelné elektrárny s výstupním elektrickým výkonem do 400 kW. Zařízení pro 11 MW prošly příslušnými testy. Vyvíjejí se elektrárny s výstupním výkonem až 100 MW.
Palivové články s protonovou výměnnou membránou (PME)
Palivové články s protonovou výměnnou membránou jsou považovány za nejlepší typ palivových článků pro výrobu energie ve vozidlech, které mohou nahradit benzinové a naftové spalovací motory. Tyto palivové články byly poprvé použity NASA pro program Gemini. Dnes se vyvíjejí a předvádějí instalace na MOPFC o výkonu 1 W až 2 kW.
Tyto palivové články používají jako elektrolyt pevnou polymerní membránu (tenkou plastovou fólii). Při impregnaci vodou tento polymer prochází protony, ale nevede elektrony.
Palivem je vodík a nosičem náboje je vodíkový iont (proton). Na anodě se molekula vodíku rozdělí na vodíkový iont (proton) a elektrony. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem ke katodě a elektrony putují po vnějším kruhu a vytvářejí elektrická energie. Kyslík, který se odebírá ze vzduchu, se přivádí ke katodě a spojuje se s elektrony a vodíkovými ionty za vzniku vody. Na elektrodách probíhají následující reakce:
Reakce na anodě: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakce na katodě: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H20
Ve srovnání s jinými typy palivových článků produkují palivové články s protonovou výměnnou membránou více energie pro daný objem nebo hmotnost palivového článku. Tato funkce jim umožňuje být kompaktní a lehké. Provozní teplota je navíc nižší než 100 °C, což umožňuje rychlé spuštění provozu. Tyto vlastnosti, stejně jako schopnost rychle měnit energetický výstup, jsou jen některé z vlastností, díky kterým jsou tyto palivové články hlavním kandidátem pro použití ve vozidlech.
Další výhodou je, že elektrolyt je spíše pevná než kapalná látka. Udržování plynů na katodě a anodě je snazší s pevným elektrolytem, a proto jsou takové palivové články levnější na výrobu. Oproti jiným elektrolytům nezpůsobuje použití pevného elektrolytu problémy jako je orientace, je méně problémů z důvodu výskytu koroze, což vede k delší životnosti článku a jeho součástí.
Palivové články s pevným oxidem (SOFC)
Palivové články s pevným oxidem jsou palivové články s nejvyšší provozní teplotou. Provozní teplota se může pohybovat od 600°C do 1000°C, což umožňuje použití různých druhů paliv bez speciální předúpravy. Ke zvládnutí těchto vysokých teplot se jako elektrolyt používá tenký pevný oxid kovu na keramické bázi, často slitina yttria a zirkonia, což je vodič iontů kyslíku (O 2 -). Technologie využití palivových článků s pevným oxidem se rozvíjí od konce 50. let 20. století. a má dvě konfigurace: rovinnou a trubkovou.
Pevný elektrolyt zajišťuje hermetický přechod plynu z jedné elektrody na druhou, zatímco kapalné elektrolyty jsou umístěny v porézním substrátu. Nosičem náboje v palivových článcích tohoto typu je kyslíkový iont (O 2 -). Na katodě jsou molekuly kyslíku ze vzduchu odděleny na kyslíkový iont a čtyři elektrony. Kyslíkové ionty procházejí elektrolytem a spojují se s vodíkem za vzniku čtyř volných elektronů. Elektrony jsou směrovány přes vnější elektrický obvod, generují elektrický proud a odpadní teplo.
Reakce na anodě: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakce na katodě: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Obecná reakce prvků: 2H2 + O2 => 2H20
Účinnost generované elektrické energie je ze všech palivových článků nejvyšší – asi 60 %. Vysoké provozní teploty navíc umožňují kombinovanou výrobu tepla a elektřiny pro výrobu vysokotlaké páry. Spojením vysokoteplotního palivového článku s turbínou vznikne hybridní palivový článek, který zvýší účinnost výroby elektrické energie až o 70 %.
Palivové články s pevným oxidem pracují při velmi vysokých teplotách (600°C-1000°C), což má za následek dlouhou dobu k dosažení optimálních provozních podmínek a systém pomaleji reaguje na změny spotřeby energie. Při takto vysokých provozních teplotách není potřeba žádný konvertor pro regeneraci vodíku z paliva, což umožňuje tepelné elektrárně pracovat s relativně nečistými palivy ze zplyňování uhlí nebo odpadních plynů a podobně. Tento palivový článek je také vynikající pro aplikace s vysokým výkonem, včetně průmyslových a velkých centrálních elektráren. Průmyslově vyráběné moduly s výstupním elektrickým výkonem 100 kW.
Palivové články s přímou oxidací metanolu (DOMTE)
Technologie využití palivových článků s přímou oxidací metanolu prochází obdobím aktivního vývoje. Úspěšně se prosadila v oblasti výživy mobilní telefony, notebooky a také k vytvoření přenosných zdrojů elektřiny. k čemu směřuje budoucí aplikace těchto prvků.
Struktura palivových článků s přímou oxidací metanolu je podobná jako u palivových článků s proton výměnnou membránou (MOFEC), tzn. jako elektrolyt se používá polymer a jako nosič náboje iont vodíku (proton). Kapalný metanol (CH 3 OH) je však oxidován v přítomnosti vody na anodě, přičemž se uvolňuje CO 2, vodíkové ionty a elektrony, které jsou vedeny vnějším elektrickým obvodem a vzniká elektrický proud. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem a reagují s kyslíkem ze vzduchu a elektrony z vnějšího okruhu za vzniku vody na anodě.
Reakce na anodě: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakce na katodě: 3/202 + 6H + + 6e - => 3H20
Obecná reakce prvku: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Vývoj těchto palivových článků začal na počátku 90. let. Po vývoji vylepšených katalyzátorů a díky dalším nedávným inovacím se hustota výkonu a účinnost zvýšila až o 40 %.
Tyto prvky byly testovány v teplotním rozsahu 50-120°C. S nízkými provozními teplotami a bez potřeby konvertoru jsou přímé metanolové palivové články tím nejlepším kandidátem pro aplikace od mobilních telefonů a dalších spotřebních produktů až po automobilové motory. Výhodou tohoto typu palivových článků je jejich malá velikost, vzhledem k použití kapalného paliva, a absence nutnosti použití konvertoru.
Alkalické palivové články (AFC)
Alkalické palivové články (ALFC) jsou jednou z nejvíce studovaných technologií a používají se od poloviny 60. let. NASA v programech Apollo a Space Shuttle. Na palubě těchto kosmických lodí produkují palivové články elektrickou energii a pití vody. Alkalické palivové články jsou jedním z nejúčinnějších prvků používaných k výrobě elektřiny, přičemž účinnost výroby energie dosahuje až 70 %.
Alkalické palivové články využívají elektrolyt, tedy vodný roztok hydroxidu draselného, obsažený v porézní stabilizované matrici. Koncentrace hydroxidu draselného se může měnit v závislosti na provozní teplotě palivového článku, která se pohybuje od 65 °C do 220 °C. Nosičem náboje v SFC je hydroxidový iont (OH-) pohybující se od katody k anodě, kde reaguje s vodíkem za vzniku vody a elektronů. Voda produkovaná na anodě se vrací zpět ke katodě, kde opět vytváří hydroxidové ionty. V důsledku této série reakcí probíhajících v palivovém článku vzniká elektřina a jako vedlejší produkt teplo:
Reakce na anodě: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakce na katodě: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Obecná reakce systému: 2H2 + O2 => 2H20
Výhodou SFC je, že tyto palivové články jsou nejlevnější na výrobu, protože katalyzátor potřebný na elektrodách může být jakákoliv látka, která je levnější než ty, které se používají jako katalyzátory pro jiné palivové články. SCFC navíc pracují při relativně nízké teplotě a patří mezi nejúčinnější palivové články – takové vlastnosti mohou přispívat k rychlejší výrobě energie a vysoké palivové účinnosti.
Jednou z charakteristických vlastností SHTE je vysoká citlivost na CO 2 , který může být obsažen v palivu nebo vzduchu. CO 2 reaguje s elektrolytem, rychle jej otráví a výrazně snižuje účinnost palivového článku. Proto je použití SFC omezeno na uzavřené prostory, jako jsou vesmírná a podvodní vozidla, musí fungovat na čistý vodík a kyslík. Navíc molekuly jako CO, H 2 O a CH 4, které jsou bezpečné pro jiné palivové články a dokonce palivo pro některé z nich, jsou pro SFC škodlivé.
Polymerové elektrolytické palivové články (PETE)
V případě palivových článků s polymerním elektrolytem je polymerní membrána tvořena polymerními vlákny s vodními oblastmi, ve kterých je vodivost vodních iontů H 2 O + (proton, červená) navázaných na molekulu vody. Molekuly vody představují problém kvůli pomalé výměně iontů. Proto je vyžadována vysoká koncentrace vody jak v palivu, tak na výfukových elektrodách, což omezuje provozní teplotu na 100°C.
Tuhé kyselé palivové články (SCFC)
V pevných kyselých palivových článcích elektrolyt (C s HSO 4 ) neobsahuje vodu. Provozní teplota je tedy 100-300°C. Rotace SO 4 2- oxy aniontů umožňuje protonů (červená) pohybovat se, jak je znázorněno na obrázku. Palivový článek s pevnou kyselinou je typicky sendvič, ve kterém je velmi tenká vrstva pevné kyselé sloučeniny vložena mezi dvě těsně stlačené elektrody, aby byl zajištěn dobrý kontakt. Při zahřátí se organická složka odpařuje, opouští póry v elektrodách, přičemž si zachovává schopnost četných kontaktů mezi palivem (nebo kyslíkem na druhém konci článku), elektrolytem a elektrodami.
| Typ palivového článku | Pracovní teplota | Účinnost výroby energie | Typ paliva | Oblast použití |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700 °C | 50-70% | Střední a velké instalace | |
| FKTE | 100–220 °C | 35-40% | čistý vodík | Velké instalace |
| MOPTE | 30-100 °C | 35-50% | čistý vodík | Malé instalace |
| SOFC | 450–1000 °C | 45-70% | Většina uhlovodíkových paliv | Malé, střední a velké instalace |
| POMTE | 20-90 °C | 20-30% | methanol | Přenosné jednotky |
| SHTE | 50–200 °C | 40-65% | čistý vodík | vesmírný výzkum |
| PETE | 30-100 °C | 35-50% | čistý vodík | Malé instalace |
Část 1
Tento článek podrobněji pojednává o principu fungování palivových článků, jejich konstrukci, klasifikaci, výhodách a nevýhodách, rozsahu, účinnosti, historii vzniku a moderních vyhlídkách použití. V druhé části článku, který vyjde v příštím čísle časopisu ABOK, uvádí příklady zařízení, kde byly jako zdroje tepla a elektřiny (nebo pouze elektřiny) použity různé typy palivových článků.
Úvod
Palivové články jsou velmi účinným, spolehlivým, odolným a ekologickým způsobem výroby energie.
Zpočátku se palivové články používaly pouze ve vesmírném průmyslu, nyní se stále více používají v různých oblastech – jako stacionární elektrárny, autonomní zdroje tepla a energie pro budovy, motory vozidel, napájecí zdroje pro notebooky a mobilní telefony. Některá z těchto zařízení jsou laboratorními prototypy, některá procházejí předsériovým testováním nebo se používají pro demonstrační účely, ale mnoho modelů je sériově vyráběno a používáno v komerčních projektech.
Palivový článek (elektrochemický generátor) je zařízení, které přeměňuje chemickou energii paliva (vodík) na elektrickou energii v procesu elektrochemické reakce přímo, na rozdíl od tradičních technologií využívajících spalování pevných, kapalných a plynných paliv. Přímá elektrochemická přeměna paliva je velmi účinná a atraktivní z hlediska životního prostředí, protože při provozu se uvolňuje minimální množství škodlivin a nevznikají žádné silné zvuky a vibrace.
Z praktického hlediska palivový článek připomíná klasickou galvanickou baterii. Rozdíl spočívá v tom, že zpočátku je baterie nabitá, tedy naplněná „palivem“. Během provozu se spotřebovává „palivo“ a vybíjí se baterie. Palivový článek na rozdíl od baterie využívá k výrobě elektrické energie palivo dodávané z externího zdroje (obr. 1).
Pro výrobu elektrické energie lze využít nejen čistý vodík, ale i další suroviny obsahující vodík, jako je zemní plyn, čpavek, metanol nebo benzín. Jako zdroj kyslíku, který je pro reakci rovněž nezbytný, se používá obyčejný vzduch.
Při použití čistého vodíku jako paliva jsou reakčními produkty kromě elektrické energie teplo a voda (nebo vodní pára), tedy do atmosféry se neuvolňují žádné plyny, které způsobují znečištění ovzduší nebo způsobují skleníkový efekt. Pokud se jako palivo použije surovina obsahující vodík, jako je zemní plyn, budou vedlejším produktem reakce jiné plyny, jako jsou oxidy uhlíku a dusíku, ale jejich množství je mnohem nižší než při jejich spalování. množství zemního plynu.
Proces chemické přeměny paliva za účelem výroby vodíku se nazývá reformování a odpovídající zařízení se nazývá reformátor.
Výhody a nevýhody palivových článků
Palivové články jsou energeticky účinnější než spalovací motory, protože neexistuje žádné termodynamické omezení energetické účinnosti palivových článků. Účinnost palivových článků je 50%, účinnost spalovacích motorů 12-15% a účinnost elektráren s parními turbínami nepřesahuje 40%. Využitím tepla a vody se účinnost palivových článků dále zvyšuje.
Na rozdíl například od spalovacích motorů zůstává účinnost palivových článků velmi vysoká, i když nepracují na plný výkon. Výkon palivových článků lze navíc zvýšit pouhým přidáním samostatných bloků, přičemž účinnost se nemění, tj. velké instalace jsou stejně účinné jako malé. Tyto okolnosti umožňují velmi flexibilní výběr skladby zařízení v souladu s přáním zákazníka a v konečném důsledku vedou ke snížení nákladů na zařízení.
Důležitou výhodou palivových článků je jejich šetrnost k životnímu prostředí. Emise znečišťujících látek do ovzduší z provozu palivových článků jsou tak nízké, že v některých oblastech Spojených států nevyžadují zvláštní povolení od vládní agentury kontrola kvality ovzduší.
Palivové články mohou být umístěny přímo v budově, čímž se sníží ztráty přenosem energie, a teplo vzniklé v důsledku reakce může být využito pro dodávku tepla nebo teplé vody do budovy. Autonomní zdroje tepla a elektřiny mohou být velmi přínosné v odlehlých oblastech a regionech, které se vyznačují nedostatkem elektřiny a její vysokou cenou, ale zároveň jsou zde zásoby surovin obsahujících vodík (ropa, zemní plyn) .
Výhodou palivových článků je také dostupnost paliva, spolehlivost (v palivovém článku nejsou žádné pohyblivé části), životnost a snadná obsluha.
Jednou z hlavních nevýhod palivových článků je dnes jejich relativně vysoká cena, ale tato nevýhoda může být brzy překonána, protože bude vyrábět více společností komerční vzorky palivové články, jsou neustále zdokonalovány a jejich cena klesá.
Co nejefektivnější využití čistého vodíku jako paliva si však vyžádá vytvoření speciální infrastruktury pro jeho výrobu a přepravu. V současné době všechny komerční konstrukce využívají zemní plyn a podobná paliva. Motorová vozidla mohou používat běžný benzín, což umožní zachovat stávající rozvinutou síť čerpacích stanic. Používání takového paliva však vede ke škodlivým emisím do atmosféry (byť velmi nízkým) a komplikuje (a tedy zvyšuje cenu) palivový článek. Do budoucna se nabízí možnost využití obnovitelných zdrojů energie šetrných k životnímu prostředí (např. solární energie nebo větrná energie) k rozkladu vody na vodík a kyslík elektrolýzou a následné přeměně výsledného paliva v palivovém článku. Taková kombinovaná zařízení pracující v uzavřeném cyklu mohou být zcela ekologickým, spolehlivým, odolným a účinným zdrojem energie.
Další vlastností palivových článků je, že jsou nejúčinnější při současném využití elektrické i tepelné energie. Možnost využití tepelné energie však není dostupná u každého zařízení. V případě použití palivových článků pouze pro výrobu elektrické energie jejich účinnost klesá, i když převyšuje účinnost „tradičních“ instalací.
Historie a moderní využití palivových článků
Princip fungování palivových článků byl objeven v roce 1839. Anglický vědec William Grove (1811-1896) zjistil, že proces elektrolýzy - rozklad vody na vodík a kyslík pomocí elektrického proudu - je reverzibilní, tj. vodík a kyslík lze sloučit do molekul vody bez spalování, ale s uvolňování tepla a elektrického proudu. Grove nazval zařízení, ve kterém byla taková reakce provedena, „plynová baterie“, což byl první palivový článek.
Aktivní vývoj technologií palivových článků začal po druhé světové válce a je spojen s leteckým průmyslem. V té době se hledalo efektivní a spolehlivý, ale zároveň docela kompaktní zdroj energie. V 60. letech si specialisté NASA (Národní úřad pro letectví a vesmír, NASA) vybrali palivové články jako zdroj energie pro kosmické lodě programů Apollo (lety s lidskou posádkou na Měsíc), Apollo-Sojuz, Gemini a Skylab. Apollo použilo tři 1,5 kW jednotky (2,2 kW špičkový výkon) využívající kryogenní vodík a kyslík k výrobě elektřiny, tepla a vody. Hmotnost každé instalace byla 113 kg. Tyto tři články pracovaly paralelně, ale energie generovaná jednou jednotkou stačila pro bezpečný návrat. Během 18 letů nashromáždily palivové články celkem 10 000 hodin bez jakýchkoli poruch. V současné době jsou palivové články využívány v raketoplánu „Space Shuttle“, který využívá tři jednotky o výkonu 12 W, které generují veškerou elektrickou energii na palubě kosmické lodi (obr. 2). Voda získaná jako výsledek elektrochemické reakce se používá jako pitná voda i pro chladicí zařízení.
U nás se také pracovalo na vytvoření palivových článků pro použití v kosmonautice. K pohonu byly například použity palivové články Sovětská loď opakovaně použitelný "Buran".
Vývoj metod pro komerční využití palivových článků začal v polovině 60. let. Tento vývoj byl částečně financován vládními organizacemi.
V současné době jde vývoj technologií pro využití palivových článků několika směry. Jedná se o vznik stacionárních elektráren na palivové články (pro centralizované i decentralizované zásobování energií), elektráren vozidel (vznikly vzorky aut a autobusů na palivové články, i u nás) (obr. 3), popř. také napájecí zdroje pro různá mobilní zařízení (notebooky, mobilní telefony atd.) (obr. 4).
Příklady použití palivových článků v různých oblastech jsou uvedeny v tabulce. jeden.
Jedním z prvních komerčních modelů palivových článků určených pro autonomní zásobování teplem a energií budov byl PC25 Model A vyráběný společností ONSI Corporation (nyní United Technologies, Inc.). Tento palivový článek o jmenovitém výkonu 200 kW patří k typu článků s elektrolytem na bázi kyseliny fosforečné (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Číslo "25" v názvu modelu znamená sériové číslo provedení. Většina předchozích modelů byly experimentální nebo testovací kusy, jako například model „PC11“ s výkonem 12,5 kW, který se objevil v 70. letech. Nové modely zvýšily výkon odebraný z jednoho palivového článku a také snížily náklady na kilowatt vyrobené energie. V současnosti je jedním z nejúčinnějších komerčních modelů palivový článek PC25 Model C. Stejně jako model „A“ se jedná o plně automatický palivový článek typu PAFC o výkonu 200 kW určený k instalaci přímo na obsluhovaný objekt jako nezávislý zdroj tepla a elektřiny. Takový palivový článek může být instalován mimo budovu. Navenek je to rovnoběžnostěn 5,5 m dlouhý, 3 m široký a 3 m vysoký, vážící 18 140 kg. Rozdíl od předchozích modelů je vylepšený reformátor a vyšší proudová hustota.
| stůl 1 Rozsah palivových článků |
|||||||||||||||
|
U některých typů palivových článků může být chemický proces obrácen: aplikací rozdílu potenciálů na elektrody může být voda rozložena na vodík a kyslík, které se shromažďují na porézních elektrodách. Když je připojena zátěž, takový regenerační palivový článek začne generovat elektrickou energii.
Slibným směrem využití palivových článků je jejich využití ve spojení s obnovitelnými zdroji energie, jako jsou fotovoltaické panely nebo větrné turbíny. Tato technologie umožňuje zcela zabránit znečištění ovzduší. Podobný systém se plánuje vytvořit např. ve Školicím centru Adama Josepha Lewise v Oberlinu (viz ABOK, 2002, č. 5, s. 10). V současné době je jedním ze zdrojů energie v této budově solární panely. Společně se specialisty NASA byl vyvinut projekt využití fotovoltaických panelů k výrobě vodíku a kyslíku z vody elektrolýzou. Vodík se pak používá v palivových článcích k výrobě elektřiny a teplé vody. To umožní budově udržet výkon všech systémů během zamračených dnů a v noci.
Princip činnosti palivových článků
Uveďme si jako příklad princip fungování palivového článku využívajícího nejjednodušší prvek s protonovou výměnnou membránou (Proton Exchange Membrane, PEM). Takový prvek se skládá z polymerní membrány umístěné mezi anodou (kladná elektroda) a katodou (záporná elektroda) spolu s anodou a katodovými katalyzátory. Jako elektrolyt se používá polymerní membrána. Schéma prvku PEM je na Obr. 5.
Protonová výměnná membrána (PEM) je tenká (přibližně 2-7 listů obyčejného papíru tlustá) pevná organická sloučenina. Tato membrána funguje jako elektrolyt: v přítomnosti vody rozděluje hmotu na kladně a záporně nabité ionty.
Na anodě probíhá oxidační proces a na katodě proces redukce. Anoda a katoda v PEM článku jsou vyrobeny z porézního materiálu, který je směsí částic uhlíku a platiny. Platina působí jako katalyzátor, který podporuje disociační reakci. Anoda a katoda jsou vyrobeny porézní pro volný průchod vodíku a kyslíku skrz ně.
Anoda a katoda jsou umístěny mezi dvěma kovovými deskami, které dodávají anodě a katodě vodík a kyslík a odvádějí teplo a vodu a také elektrickou energii.
Molekuly vodíku procházejí kanálky v desce k anodě, kde se molekuly rozkládají na jednotlivé atomy (obr. 6).
Obrázek 5 () Schematický diagram palivového článku s proton výměnnou membránou (PEM). |
|
Obrázek 6 () Molekuly vodíku kanálky v desce vstupují do anody, kde se molekuly rozkládají na jednotlivé atomy |
|
Obrázek 7 () V důsledku chemisorpce v přítomnosti katalyzátoru se atomy vodíku přeměňují na protony |
|
Postavení 8 () Kladně nabité vodíkové ionty difundují přes membránu ke katodě a tok elektronů je směrován ke katodě přes vnější elektrický obvod, ke kterému je připojena zátěž. |
|
Obrázek 9 () Kyslík přiváděný ke katodě v přítomnosti katalyzátoru vstupuje do chemické reakce s vodíkovými ionty z proton-výměnné membrány a elektrony z vnějšího elektrického obvodu. Voda vzniká jako výsledek chemické reakce |
Poté se v důsledku chemisorpce v přítomnosti katalyzátoru atomy vodíku, z nichž každý daruje jeden elektron e -, přemění na kladně nabité vodíkové ionty H +, tj. protony (obr. 7).
Kladně nabité vodíkové ionty (protony) difundují membránou ke katodě a tok elektronů je ke katodě směrován vnějším elektrickým obvodem, na který je připojena zátěž (spotřebitel elektrické energie) (obr. 8).
Kyslík přiváděný ke katodě za přítomnosti katalyzátoru vstupuje do chemické reakce s vodíkovými ionty (protony) z protonové výměnné membrány a elektrony z vnějšího elektrického obvodu (obr. 9). V důsledku chemické reakce vzniká voda.
Chemická reakce v palivovém článku jiných typů (například s kyselým elektrolytem, což je roztok kyseliny fosforečné H 3 PO 4) je naprosto totožná s chemickou reakcí v palivovém článku s protoneměničovou membránou.
V každém palivovém článku se část energie chemické reakce uvolňuje jako teplo.
Tok elektronů ve vnějším obvodu je stejnosměrný proud, který se používá k práci. Otevření vnějšího okruhu nebo zastavení pohybu vodíkových iontů zastaví chemickou reakci.
Množství elektrické energie vyrobené palivovým článkem závisí na typu palivového článku, geometrických rozměrech, teplotě, tlaku plynu. Jediný palivový článek poskytuje EMF menší než 1,16 V. Je možné zvětšit velikost palivových článků, ale v praxi se používá několik článků, zapojených do baterií (obr. 10).
Zařízení na palivový článek
Uvažujme zařízení s palivovými články na příkladu modelu PC25 Model C. Schéma palivového článku je na Obr. jedenáct.
Palivový článek "PC25 Model C" se skládá ze tří hlavních částí: palivového procesoru, vlastní části pro výrobu energie a měniče napětí.
Hlavní část palivového článku - část pro výrobu energie - je sestava složená z 256 jednotlivých palivových článků. Složení elektrod palivových článků zahrnuje platinový katalyzátor. Prostřednictvím těchto článků vzniká stejnosměrný elektrický proud 1 400 ampér při napětí 155 voltů. Rozměry baterie jsou přibližně 2,9 m na délku a 0,9 m na šířku a výšku.
Vzhledem k tomu, že elektrochemický proces probíhá při teplotě 177 °C, je nutné baterii v době spouštění zahřívat a odvádět z ní teplo za provozu. Palivový článek k tomu obsahuje samostatný vodní okruh a baterie je vybavena speciálními chladicími deskami.
Palivový procesor umožňuje přeměnit zemní plyn na vodík, který je nezbytný pro elektrochemickou reakci. Tento proces se nazývá reformování. Hlavním prvkem procesoru paliva je reformátor. V reformátoru zemní plyn (nebo jiné palivo obsahující vodík) reaguje s párou při vysoké teplotě (900 °C) a vysokém tlaku v přítomnosti niklového katalyzátoru. Probíhají následující chemické reakce:
CH4 (methan) + H20 3H2 + CO
(reakce endotermická, s absorpcí tepla);
CO + H20 H2 + CO2
(reakce je exotermická, s uvolňováním tepla).
Celková reakce je vyjádřena rovnicí:
CH4 (methan) + 2H204H2 + C02
(reakce endotermická, s absorpcí tepla).
Pro zajištění vysoké teploty potřebné pro konverzi zemního plynu je část vyhořelého paliva ze sady palivových článků směrována do hořáku, který udržuje reformátor na požadované teplotě.
Pára potřebná pro reformování je generována z kondenzátu vznikajícího během provozu palivového článku. V tomto případě se využívá teplo odebrané ze zásobníku palivových článků (obr. 12).
Sada palivových článků generuje přerušovaný stejnosměrný proud, který se vyznačuje nízkým napětím a vysokým proudem. K převodu na průmyslový standardní AC se používá měnič napětí. Jednotka měniče napětí navíc obsahuje různá ovládací zařízení a bezpečnostní blokovací obvody, které umožňují vypnutí palivového článku v případě různých poruch.
V takovém palivovém článku lze přibližně 40 % energie v palivu přeměnit na elektrickou energii. Přibližně stejné množství, asi 40 % energie paliva, lze přeměnit na Termální energie, který je následně využíván jako zdroj tepla pro vytápění, zásobování teplou vodou a podobné účely. Celková účinnost takového zařízení tedy může dosáhnout 80 %.
Důležitou výhodou takového zdroje tepla a elektřiny je možnost jeho automatického provozu. Pro údržbu nemusí majitelé zařízení, na kterých je palivový článek instalován, udržovat speciálně vyškolený personál - pravidelná údržba mohou provádět zaměstnanci provozní organizace.
Typy palivových článků
V současné době je známo několik typů palivových článků, které se liší složením použitého elektrolytu. Nejrozšířenější jsou následující čtyři typy (tabulka 2):
1. Palivové články s proton výměnnou membránou (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Palivové články na bázi kyseliny ortofosforečné (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Palivové články na bázi roztaveného uhličitanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Palivové články s pevným oxidem (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). V současnosti je největší flotila palivových článků postavena na bázi technologie PAFC.
Jedna z klíčových vlastností odlišné typy palivový článek je provozní teplota. V mnoha ohledech je to teplota, která určuje rozsah palivových článků. Například pro notebooky jsou kritické vysoké teploty, proto se pro tento segment trhu vyvíjejí palivové články s protonovou výměnnou membránou s nízkými provozními teplotami.
Pro autonomní napájení budov jsou zapotřebí palivové články s vysokým instalovaným výkonem a zároveň je možné využívat tepelnou energii, proto lze pro tyto účely použít i jiné typy palivových článků.
Protonové výměnné membránové palivové články (PEMFC)
Tyto palivové články pracují při relativně nízkých provozních teplotách (60-160°C). Vyznačují se vysokou hustotou výkonu, umožňují rychlé nastavení výstupního výkonu a lze je rychle zapnout. Nevýhodou tohoto typu prvků jsou vysoké požadavky na kvalitu paliva, protože znečištěné palivo může poškodit membránu. Jmenovitý výkon palivových článků tohoto typu je 1-100 kW.
Palivové články s membránou pro výměnu protonů byly původně vyvinuty společností General Electric Corporation v 60. letech pro NASA. Tento typ palivového článku využívá polymerní elektrolyt v pevném stavu nazývaný Proton Exchange Membrane (PEM). Protony se mohou pohybovat membránou pro výměnu protonů, ale elektrony přes ni procházet nemohou, což má za následek rozdíl potenciálů mezi katodou a anodou. Vzhledem ke své jednoduchosti a spolehlivosti byly takové palivové články použity jako zdroj energie s lidskou posádkou kosmická loď Blíženci.
Tento typ palivových článků se používá jako zdroj energie pro širokou škálu různých zařízení, včetně prototypů a prototypů, od mobilních telefonů po autobusy a stacionární energetické systémy. Nízká provozní teplota umožňuje použití takových článků k napájení různých typů komplexů elektronická zařízení. Méně efektivní je jejich využití jako zdroje tepla a elektrické energie pro veřejné a průmyslové budovy, kde je potřeba velké množství tepelné energie. Zároveň jsou takové prvky perspektivní jako autonomní zdroj napájení pro malé obytné budovy, jako jsou chaty postavené v oblastech s horkým klimatem.
| tabulka 2 Typy palivových článků |
||||||||||||||||||||
|
Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)
Testy palivových článků tohoto typu byly prováděny již na počátku 70. let. Rozsah provozních teplot - 150-200 °C. Hlavní oblastí použití jsou autonomní zdroje tepla a napájení středního výkonu (cca 200 kW).
Elektrolytem používaným v těchto palivových článcích je roztok kyseliny fosforečné. Elektrody jsou vyrobeny z papíru potaženého uhlíkem, ve kterém je dispergován platinový katalyzátor.
Elektrická účinnost palivových článků PAFC je 37-42%. Protože však tyto palivové články pracují při dostatečně vysoké teplotě, je možné využít páru vytvořenou v důsledku provozu. V tomto případě může celková účinnost dosáhnout 80%.
Pro výrobu energie musí být surovina obsahující vodík přeměněna na čistý vodík prostřednictvím reformovacího procesu. Například, pokud se jako palivo používá benzín, musí být odstraněny sloučeniny síry, protože síra může poškodit platinový katalyzátor.
Palivové články PAFC byly prvními komerčními palivovými články, které byly ekonomicky oprávněné. Nejběžnějším modelem byl palivový článek PC25 o výkonu 200 kW vyráběný společností ONSI Corporation (nyní United Technologies, Inc.) (obr. 13). Tyto prvky se například používají jako zdroj tepla a elektřiny na policejní stanici v newyorském Central Parku nebo jako doplňkový zdroj energie pro Conde Nast Building & Four Times Square. Největší elektrárna tohoto typu je testována jako elektrárna o výkonu 11 MW umístěná v Japonsku.
Palivové články na bázi kyseliny fosforečné se také používají jako zdroj energie ve vozidlech. Například v roce 1994 vybavily H-Power Corp., Georgetown University a americké ministerstvo energetiky autobus elektrárnou o výkonu 50 kW.
Roztavené karbonátové palivové články (MCFC)
Palivové články tohoto typu pracují při velmi vysokých teplotách - 600-700 °C. Tyto provozní teploty umožňují použití paliva přímo v samotném článku, bez potřeby samostatného reforméru. Tento proces se nazývá „vnitřní reforma“. Umožňuje výrazně zjednodušit konstrukci palivového článku.
Palivové články na bázi roztaveného uhličitanu vyžadují značný náběhový čas a neumožňují rychlé nastavení výstupního výkonu, takže jejich hlavní oblastí použití jsou velké stacionární zdroje tepla a elektřiny. Vyznačují se však vysokou účinností konverze paliva – 60% elektrická účinnost a až 85% celková účinnost.
V tomto typu palivového článku se elektrolyt skládá ze solí uhličitanu draselného a uhličitanu lithného zahřátých na asi 650 °C. Za těchto podmínek jsou soli v roztaveném stavu a tvoří elektrolyt. Na anodě vodík interaguje s ionty CO 3, tvoří vodu, oxid uhličitý a uvolňuje elektrony, které jsou poslány do vnějšího okruhu, a na katodě kyslík interaguje s oxidem uhličitým a elektrony z vnějšího okruhu a opět tvoří ionty CO 3 .
Laboratorní vzorky palivových článků tohoto typu vytvořili koncem 50. let nizozemští vědci G. H. J. Broers a J. A. A. Ketelaar. V 60. letech 20. století s těmito prvky pracoval inženýr Francis T. Bacon, potomek slavného anglického spisovatele a vědce ze 17. století, a proto jsou palivové články MCFC někdy označovány jako Baconovy prvky. Programy NASA Apollo, Apollo-Sojuz a Scylab využívaly právě takové palivové články jako zdroj energie (obr. 14). Ve stejných letech americké vojenské oddělení testovalo několik vzorků palivových článků MCFC vyrobených společností Texas Instruments, ve kterých byl jako palivo použit armádní benzín. V polovině 70. let zahájilo americké ministerstvo energetiky výzkum s cílem vyvinout stacionární palivový článek s roztaveným uhličitanem vhodný pro praktické aplikace. V 90. letech byla uvedena do provozu řada komerčních jednotek o výkonu až 250 kW, např. na americké námořní letecké stanici Miramar v Kalifornii. V roce 1996, FuelCell Energy, Inc. spuštěna v zkušební provoz 2 MW předsériový závod v Santa Clara v Kalifornii.
Oxidové palivové články v pevné fázi (SOFC)
Oxidové palivové články v pevné fázi mají jednoduchou konstrukci a pracují při velmi vysokých teplotách - 700-1000 °C. Takto vysoké teploty umožňují použití poměrně „špinavého“, nerafinovaného paliva. Stejné vlastnosti jako u palivových článků na bázi roztaveného uhličitanu určují podobnou oblast použití - velké stacionární zdroje tepla a elektřiny.
Palivové články s pevným oxidem se konstrukčně liší od palivových článků založených na technologiích PAFC a MCFC. Anoda, katoda a elektrolyt jsou vyrobeny ze speciální keramiky. Nejčastěji se jako elektrolyt používá směs oxidu zirkoničitého a oxidu vápenatého, ale lze použít i jiné oxidy. Elektrolyt tvoří krystalickou mřížku potaženou na obou stranách porézním elektrodovým materiálem. Konstrukčně jsou takové prvky vyrobeny ve formě trubek nebo plochých desek, což umožňuje při jejich výrobě použít technologie široce používané v elektronickém průmyslu. Díky tomu mohou oxidové palivové články v pevné fázi pracovat při velmi vysokých teplotách, takže je lze použít k výrobě elektrické i tepelné energie.
Při vysokých provozních teplotách se na katodě tvoří ionty kyslíku, které migrují krystalovou mřížkou k anodě, kde interagují s vodíkovými ionty, tvoří vodu a uvolňují volné elektrony. V tomto případě se vodík uvolňuje ze zemního plynu přímo v článku, to znamená, že není potřeba zvláštní reformátor.
Teoretické základy pro vytvoření pevných oxidových palivových článků byly položeny již koncem 30. let 20. století, kdy švýcarští vědci Bauer (Emil Bauer) a Preis (H. Preis) experimentovali se zirkoniem, ytriem, cerem, lanthanem a wolframem. jako elektrolyty.
První prototypy takových palivových článků byly vytvořeny koncem 50. let řadou amerických a nizozemských firem. Většina z těchto společností brzy opustila další výzkum kvůli technologickým potížím, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (nyní "Siemens Westinghouse Power Corporation"), pokračující práce. Společnost v současné době přijímá předobjednávky na komerční model trubicového topologického palivového článku s pevným oxidem, který se očekává letos (obrázek 15). Tržním segmentem těchto prvků jsou stacionární zařízení na výrobu tepla a elektrické energie o výkonu 250 kW až 5 MW.
Palivové články typu SOFC prokázaly velmi vysokou spolehlivost. Například prototyp palivového článku Siemens Westinghouse zaznamenal 16 600 hodin a pokračuje v provozu, což z něj činí nejdelší nepřetržitou životnost palivového článku na světě.
Vysokoteplotní a vysokotlaký provozní režim palivových článků SOFC umožňuje vytvoření hybridních zařízení, ve kterých emise palivových článků pohánějí plynové turbíny používané k výrobě elektřiny. První takový hybridní závod je v provozu v Irvine v Kalifornii. Jmenovitý výkon tohoto zařízení je 220 kW, z toho 200 kW z palivového článku a 20 kW z generátoru mikroturbíny.
Spojené státy podnikly několik iniciativ k vývoji vodíkových palivových článků, infrastruktury a technologií, aby byla vozidla s palivovými články do roku 2020 praktická a hospodárná. Na tyto účely byla vyčleněna více než jedna miliarda dolarů.
Palivové články vyrábějí elektřinu tiše a efektivně bez znečištění životní prostředí. Na rozdíl od zdrojů energie z fosilních paliv jsou vedlejšími produkty palivových článků teplo a voda. Jak to funguje?
V tomto článku stručně zhodnotíme každý z existujících palivové technologie dnes, stejně jako mluvit o konstrukci a provozu palivových článků, porovnat je s jinými formami výroby energie. Budeme také diskutovat o některých překážkách, kterým čelí výzkumní pracovníci při vytváření praktických a dostupných palivových článků pro spotřebitele.
Palivové články jsou zařízení pro elektrochemickou přeměnu energie. Konverze palivového článku chemické substance, vodík a kyslík do vody, při jejímž procesu vyrábí elektřinu.
Dalším elektrochemickým zařízením, které všichni dobře známe, je baterie. Baterie má v sobě všechny potřebné chemické prvky a přeměňuje tyto látky na elektřinu. To znamená, že baterie nakonec „umře“ a vy ji buď vyhodíte, nebo dobijete.
V palivovém článku jsou do něj neustále přiváděny chemikálie, aby nikdy "neumře". Elektřina se bude vyrábět tak dlouho, dokud chemikálie vstoupí do buňky. Většina dnes používaných palivových článků využívá vodík a kyslík.
Vodík je nejběžnějším prvkem v naší galaxii. Vodík však na Zemi ve své elementární podobě prakticky neexistuje. Inženýři a vědci musí extrahovat čistý vodík ze sloučenin vodíku, včetně fosilních paliv nebo vody. Chcete-li získat vodík z těchto sloučenin, musíte vynaložit energii ve formě tepla nebo elektřiny.
Vynález palivových článků
Sir William Grove vynalezl první palivový článek v roce 1839. Grove věděl, že vodu lze rozdělit na vodík a kyslík tím, že jí prochází elektrický proud (proces tzv elektrolýza). Navrhl, že v opačném pořadí by bylo možné získat elektřinu a vodu. Vytvořil primitivní palivový článek a nazval ho plynová galvanická baterie. Po experimentování se svým novým vynálezem Grove svou hypotézu potvrdil. O padesát let později tento termín vymysleli vědci Ludwig Mond a Charles Langer palivové články při pokusu o vytvoření praktického modelu pro výrobu energie.
Palivový článek bude konkurovat mnoha dalším zařízením pro přeměnu energie, včetně plynových turbín v městských elektrárnách, spalovacích motorů v autech a baterií všeho druhu. Spalovací motory, stejně jako plynové turbíny, hoří různé druhy palivo a využívat tlak vzniklý expanzí plynů k provádění mechanické práce. Baterie v případě potřeby přeměňují chemickou energii na elektrickou energii. Palivové články musí tyto úkoly plnit efektivněji.
Palivový článek poskytuje stejnosměrné (stejnosměrné) napětí, které lze použít k napájení elektromotorů, osvětlení a dalších elektrických spotřebičů.
Existuje několik různých typů palivových článků, z nichž každý používá jiné chemické procesy. Palivové články jsou obvykle klasifikovány podle jejich Provozní teplota a typelektrolyt, které používají. Některé typy palivových článků se dobře hodí pro použití ve stacionárních elektrárnách. Jiné mohou být užitečné pro malá přenosná zařízení nebo pro napájení automobilů. Mezi hlavní typy palivových článků patří:
Palivový článek s polymerní výměnnou membránou (PEMFC)
PEMFC je považován za nejpravděpodobnějšího kandidáta pro dopravní aplikace. PEMFC má jak vysoký výkon, tak relativně nízkou provozní teplotu (v rozmezí 60 až 80 stupňů Celsia). Nízká provozní teplota znamená, že se palivové články mohou rychle zahřát a začít vyrábět elektřinu.
Palivový článek s pevným oxidem (SOFC)
Tyto palivové články jsou nejvhodnější pro velké stacionární generátory elektrické energie, které by mohly dodávat elektřinu továrnám nebo městům. Tento typ palivových článků pracuje při velmi vysokých teplotách (700 až 1000 stupňů Celsia). Vysoká teplota je problémem spolehlivosti, protože některé palivové články mohou selhat po několika cyklech zapnutí a vypnutí. Palivové články s pevným oxidem jsou však v nepřetržitém provozu velmi stabilní. SOFC skutečně prokázaly nejdelší provozní životnost ze všech palivových článků za určitých podmínek. Vysoká teplota má také tu výhodu, že pára generovaná palivovými články může být směrována do turbín a generovat více elektřiny. Tento proces se nazývá kogenerace tepla a elektřiny a zlepšuje celkovou efektivitu systému.
Alkalický palivový článek (AFC)
Je to jedna z nejstarších konstrukcí palivových článků, používaná od 60. let minulého století. AFC jsou velmi náchylné ke znečištění, protože vyžadují čistý vodík a kyslík. Navíc jsou velmi drahé, takže tento typ palivových článků se pravděpodobně nedostane do sériové výroby.
Roztavený karbonátový palivový článek (MCFC)
Stejně jako SOFC jsou tyto palivové články také nejvhodnější pro velké stacionární elektrárny a generátory. Pracují při 600 stupních Celsia, takže mohou vytvářet páru, kterou lze zase použít k výrobě ještě většího výkonu. Mají nižší provozní teplotu než palivové články s pevným oxidem, což znamená, že nepotřebují tak žáruvzdorné materiály. Díky tomu jsou o něco levnější.
Palivový článek s kyselinou fosforečnou (PAFC)
Palivový článek s kyselinou fosforečnou má potenciál pro použití v malých stacionárních energetických systémech. Pracuje při vyšší teplotě než palivový článek s polymerovou výměnnou membránou, takže jeho zahřátí trvá déle, a proto není vhodný pro použití v automobilech.
Metanolové palivové články Přímý metanolový palivový článek (DMFC)
Metanolové palivové články jsou z hlediska provozní teploty srovnatelné s PEMFC, ale nejsou tak účinné. Navíc DMFC vyžadují poměrně hodně platiny jako katalyzátoru, což tyto palivové články prodražuje.
Palivový článek s polymerovou výměnnou membránou
Palivový článek s polymerovou výměnnou membránou (PEMFC) je jednou z nejslibnějších technologií palivových článků. PEMFC využívá jednu z nejjednodušších reakcí ze všech palivových článků. Zvažte, z čeho se skládá.
1. ALE uzel – Záporný pól palivového článku. Vede elektrony, které se uvolňují z molekul vodíku, a poté je lze použít ve vnějším obvodu. Jsou na něm vyryty kanály, kterými je plynný vodík rovnoměrně distribuován po povrchu katalyzátoru.
2.Na atom - kladná svorka palivového článku má také kanály pro distribuci kyslíku po povrchu katalyzátoru. Také vede elektrony zpět z vnějšího řetězce katalyzátoru, kde se mohou spojit s vodíkovými a kyslíkovými ionty za vzniku vody.
3.Elektrolyt-protonová výměnná membrána. Jedná se o speciálně upravený materiál, který vede pouze kladně nabité ionty a blokuje elektrony. V PEMFC musí být membrána hydratovaná, aby správně fungovala a zůstala stabilní.
4. Katalyzátor je speciální materiál, který podporuje reakci kyslíku a vodíku. Obvykle se vyrábí z platinových nanočástic nanesených velmi tence na uhlíkovém papíru nebo tkanině. Katalyzátor má takovou povrchovou strukturu, že maximální povrch platiny může být vystaven vodíku nebo kyslíku.
Obrázek ukazuje plynný vodík (H2) vstupující pod tlakem do palivového článku ze strany anody. Když molekula H2 přijde do kontaktu s platinou na katalyzátoru, rozdělí se na dva H+ ionty a dva elektrony. Elektrony procházejí anodou, kde jsou použity ve vnějším obvodu (výkon užitečná práce, jako je rotace motoru) a vraťte se na katodovou stranu palivového článku.
Mezitím na katodové straně palivového článku kyslík (O2) ze vzduchu prochází katalyzátorem, kde tvoří dva atomy kyslíku. Každý z těchto atomů má silný záporný náboj. Tento záporný náboj přitahuje dva ionty H+ přes membránu, kde se spojí s atomem kyslíku a dvěma elektrony z vnějšího obvodu za vzniku molekuly vody (H2O).
Tato reakce v jediném palivovém článku produkuje pouze přibližně 0,7 voltu. Aby se napětí zvýšilo na rozumnou úroveň, musí být zkombinováno mnoho jednotlivých palivových článků do sestavy palivových článků. Bipolární desky se používají k propojení jednoho palivového článku s druhým a procházejí oxidací s klesajícím potenciálem. Velkým problémem bipolárních desek je jejich stabilita. Kovové bipolární desky mohou zkorodovat a vedlejší produkty (ionty železa a chrómu) snižují účinnost membrán palivových článků a elektrod. Nízkoteplotní palivové články proto využívají lehké kovy, grafit a kompozitní sloučeniny uhlíku a termosetového materiálu (termosetový materiál je druh plastu, který zůstává pevný, i když je vystaven vysokým teplotám) ve formě bipolárního plošného materiálu.
Účinnost palivového článku
Snížení znečištění je jedním z hlavních cílů palivového článku. Porovnáním automobilu poháněného palivovým článkem s automobilem poháněným benzinovým motorem a automobilem poháněným baterií můžete vidět, jak by palivové články mohly zlepšit účinnost automobilů.
Vzhledem k tomu, že všechny tři typy vozů mají mnoho stejných součástí, budeme tuto část vozu ignorovat a porovnáme prospěšné akce do bodu, kdy se vyrábí mechanická energie. Začněme autem s palivovými články.
Pokud je palivový článek poháněn čistým vodíkem, jeho účinnost může být až 80 procent. Přeměňuje tedy 80 procent energetického obsahu vodíku na elektřinu. Stále však musíme přeměňovat elektrickou energii na mechanickou práci. Toho je dosaženo elektromotorem a invertorem. Účinnost motoru + měniče je také přibližně 80 procent. To dává celkovou účinnost přibližně 80*80/100=64 procent. Koncepční vozidlo Honda FCX má údajně 60procentní energetickou účinnost.
Pokud zdroj paliva není ve formě čistého vodíku, pak vozidlo bude také potřebovat reformátora. Reformátoři přeměňují uhlovodíková nebo alkoholová paliva na vodík. Vytvářejí teplo a kromě vodíku produkují také CO a CO2. K čištění výsledného vodíku používají různá zařízení, ale toto čištění je nedostatečné a snižuje účinnost palivového článku. Proto se vědci rozhodli zaměřit se na palivové články pro vozidla na čistý vodík, a to i přes problémy spojené s výrobou a skladováním vodíku.
Účinnost benzínového motoru a automobilu na elektrické baterie
Účinnost auta poháněného benzínem je překvapivě nízká. Veškeré teplo, které jde ven ve formě výfukových plynů nebo je absorbováno radiátorem, je zbytečná energie. Motor také spotřebovává mnoho energie k otáčení různých čerpadel, ventilátorů a generátorů, které jej udržují v chodu. Celková účinnost automobilového benzínového motoru je tedy přibližně 20 procent. Na mechanickou práci se tak přemění pouze přibližně 20 procent obsahu tepelné energie benzínu.
Elektromobil na baterie má poměrně vysokou účinnost. Baterie má účinnost přibližně 90 procent (většina baterií vytváří určité teplo nebo vyžaduje vytápění) a účinnost motoru + měniče je přibližně 80 procent. To dává celkovou účinnost přibližně 72 procent.
Ale to není všechno. Aby se elektromobil mohl pohybovat, musí se nejprve někde vyrobit elektřina. Pokud se jednalo o elektrárnu, která využívala proces spalování fosilních paliv (spíše než jadernou, vodní, solární nebo větrnou energii), pak se na elektřinu přeměnilo jen asi 40 procent paliva spotřebovaného elektrárnou. Proces nabíjení automobilu navíc vyžaduje přeměnu střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC). Tento proces má účinnost přibližně 90 procent.
Nyní, když se podíváme na celý cyklus, účinnost elektrického vozidla je 72 procent pro samotné auto, 40 procent pro elektrárnu a 90 procent pro nabíjení auta. To dává celkovou účinnost 26 procent. Celková účinnost se značně liší v závislosti na tom, která elektrárna se k nabíjení baterie používá. Pokud elektřinu pro automobil vyrábí například vodní elektrárna, pak bude účinnost elektromobilu zhruba 65 procent.
Vědci zkoumají a zdokonalují návrhy, aby pokračovali ve zlepšování účinnosti palivových článků. Jedním z nových přístupů je kombinace vozidel poháněných palivovými články a bateriemi. Vyvíjí se koncepční vozidlo, které bude poháněno hybridním pohonem poháněným palivovými články. K napájení vozu používá lithiovou baterii, zatímco palivový článek dobíjí baterii.
Vozidla na palivové články jsou potenciálně stejně účinná jako auto na baterie, které se nabíjí z elektrárny bez fosilních paliv. Ale dosažení takového potenciálu praktickým a přístupným způsobem může být obtížné.
Proč používat palivové články?
Hlavním důvodem je vše, co souvisí s ropou. Amerika musí dovážet téměř 60 procent své ropy. Do roku 2025 se očekává nárůst dovozu na 68 %. Američané spotřebují dvě třetiny ropy denně na přepravu. I kdyby každé auto na ulici bylo hybridním vozem, do roku 2025 by USA stále musely používat stejné množství ropy, jaké Američané spotřebovali v roce 2000. Amerika skutečně spotřebuje čtvrtinu veškeré ropy vyprodukované na světě, ačkoli zde žije pouze 4,6 % světové populace.
Odborníci očekávají, že ceny ropy budou v příštích několika desetiletích nadále růst, protože levnější zdroje budou vyschnout. Ropné společnosti by se měl rozvíjet ropná pole ve stále obtížnějších podmínkách, což způsobuje růst cen ropy.
Obavy sahají daleko za hranice ekonomické zabezpečení. Velká část výnosů z prodeje ropy jde na podporu mezinárodního terorismu, radikálních politických stran a nestabilní situace v oblastech těžící ropu.
Využívání ropy a jiných fosilních paliv pro energii produkuje znečištění. Pro každého je nejlepší najít alternativu – spalování fosilních paliv na energii.
Palivové články jsou atraktivní alternativou k závislosti na ropě. Palivové články produkují čistou vodu jako vedlejší produkt namísto znečištění. Zatímco se inženýři dočasně zaměřili na výrobu vodíku z různých fosilních zdrojů, jako je benzín nebo zemní plyn, v budoucnu se zkoumají obnovitelné, k životnímu prostředí šetrné způsoby výroby vodíku. Nejslibnější bude samozřejmě proces získávání vodíku z vody.
Závislost na ropě a globální oteplování je mezinárodní problém. Několik zemí se společně podílí na vývoji výzkumu a vývoje technologie palivových článků.
Je zřejmé, že před vědci a výrobci čeká spousta práce, než se palivové články stanou alternativou. moderní metody výroba energie. A přesto, s podporou celého světa a globální spoluprací, se životaschopný energetický systém založený na palivových článcích může stát za pár desetiletí realitou.
palivový článek ( palivový článek) je zařízení, které přeměňuje chemickou energii na elektrickou energii. Principiálně se podobá klasické baterii, liší se však tím, že její provoz vyžaduje neustálý přísun látek zvenčí, aby došlo k elektrochemické reakci. Do palivových článků se přivádí vodík a kyslík, výstupem je elektřina, voda a teplo. Mezi jejich přednosti patří šetrnost k životnímu prostředí, spolehlivost, odolnost a snadná obsluha. Na rozdíl od běžných baterií mohou elektrochemické konvertory fungovat prakticky neomezeně, dokud je k dispozici palivo. Do úplného nabití není třeba je nabíjet celé hodiny. Články samy navíc dokážou nabíjet baterii, když auto stojí s vypnutým motorem.
V vodíkových vozidlech se nejčastěji používají protonové membránové palivové články (PEMFC) a palivové články s pevným oxidem (SOFC).
Palivový článek s membránou pro výměnu protonů funguje následovně. Mezi anodou a katodou je speciální membrána a katalyzátor potažený platinou. Vodík vstupuje do anody a kyslík vstupuje do katody (například ze vzduchu). Na anodě se vodík za pomoci katalyzátoru rozkládá na protony a elektrony. Protony vodíku procházejí membránou a vstupují do katody, zatímco elektrony jsou odevzdávány do vnějšího okruhu (membrána je nepropustí). Takto získaný potenciálový rozdíl vede ke vzniku elektrického proudu. Na katodové straně jsou protony vodíku oxidovány kyslíkem. V důsledku toho vzniká vodní pára, která je hlavním prvkem výfukových plynů automobilů. Díky vysoké účinnosti mají PEM články jednu podstatnou nevýhodu - jejich provoz vyžaduje čistý vodík, jehož skladování je poměrně vážným problémem.
Pokud se najde takový katalyzátor, který v těchto článcích nahradí drahou platinu, pak okamžitě vznikne levný palivový článek na výrobu elektřiny, což znamená, že se svět zbaví závislosti na ropě.
Pevné oxidové buňky
Články SOFC s pevným oxidem jsou mnohem méně náročné na čistotu paliva. Navíc díky použití reformeru POX (Partial Oxidation - částečná oxidace) mohou takové články spotřebovávat jako palivo běžný benzín. Proces přeměny benzínu přímo na elektřinu je následující. Ve speciálním zařízení - reformátoru se benzín při teplotě asi 800 °C odpařuje a rozkládá se na své základní prvky.
Tím se uvolňuje vodík a oxid uhličitý. Dále také pod vlivem teploty a přímo pomocí SOFC (skládající se z porézního keramický materiál na bázi oxidu zirkoničitého), vodík se oxiduje vzdušným kyslíkem. Po získání vodíku z benzinu proces dále pokračuje podle výše popsaného scénáře, jen s jedním rozdílem: palivový článek SOFC je na rozdíl od zařízení pracujících na vodík méně citlivý na cizí nečistoty v původním palivu. Takže kvalita benzínu by neměla mít vliv na výkon palivového článku.
Vysoká provozní teplota SOFC (650-800 stupňů) je významnou nevýhodou, proces zahřívání trvá asi 20 minut. Přebytečné teplo však není problém, protože je zcela odstraněno zbývajícím vzduchem a výfukovými plyny produkovanými reformátorem a samotným palivovým článkem. To umožňuje integraci systému SOFC do vozidla jako samostatného zařízení v tepelně izolovaném krytu.
Modulární struktura umožňuje dosáhnout požadovaného napětí tím sériové připojení sada standardních buněk. A co je možná nejdůležitější, z hlediska zavedení takových zařízení v SOFC nejsou žádné velmi drahé elektrody na bázi platiny. Právě vysoká cena těchto prvků je jednou z překážek ve vývoji a šíření technologie PEMFC.
Typy palivových článků
V současné době existují tyto typy palivových článků:
- A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (alkalický palivový článek);
- PAFC– Phosphoric Acid Fuel Cell (palivový článek s kyselinou fosforečnou);
- PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (palivový článek s protonovou výměnnou membránou);
- DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (palivový článek s přímým rozkladem metanolu);
- MCFC– Tavený uhličitanový palivový článek (palivový článek z roztaveného uhličitanu);
- SOFC– Palivový článek s pevným oxidem (palivový článek s pevným oxidem).
Sir William Grove věděl hodně o elektrolýze, a tak předpokládal, že procesem (který rozděluje vodu na vodík a kyslík tím, že vede elektřinu) by mohl vyrábět, pokud by to bylo obrácené. Po výpočtu na papíře přešel do experimentální fáze a podařilo se mu prokázat své nápady. Prokázanou hypotézu vyvinuli vědci Ludwig Mond a jeho asistent Charles Langre, vylepšili technologii a v roce 1889 jí dali název, který obsahoval dvě slova – „palivový článek“.
Nyní se tato fráze pevně usadila v každodenním životě motoristů. Pojem „palivový článek“ jste jistě nejednou slyšeli. Ve zprávách na internetu, v televizi se stále častěji objevují nová slova. Obvykle odkazují na příběhy o nejnovějších hybridních vozidlech nebo vývojových programech pro tato hybridní vozidla.
Například před 11 lety byl v USA zahájen program „The Hydrogen Fuel Initiative“. Program se zaměřil na vývoj technologií vodíkových palivových článků a infrastruktury potřebných k tomu, aby byla vozidla s palivovými články do roku 2020 praktická a ekonomicky životaschopná. Mimochodem, během této doby bylo programu přiděleno více než 1 miliarda dolarů, což naznačuje vážnou sázku, na kterou americké úřady uzavřely.
Na druhé straně oceánu byli ve střehu i výrobci automobilů, kteří zahájili nebo pokračovali ve výzkumu aut na palivové články. a dokonce pokračovali v práci na budování robustní technologie palivových článků.
Největšího úspěchu na tomto poli ze všech světových automobilek dosáhly dvě japonské automobilky, a. Jejich modely s palivovými články jsou již v plné výrobě, zatímco jejich konkurenti jsou hned za nimi.
Palivové články v automobilovém průmyslu tu proto zůstanou. Zvažte principy technologie a její použití v moderních automobilech.
Princip činnosti palivového článku
Ve skutečnosti, . Z technického hlediska lze palivový článek definovat jako elektrochemické zařízení pro přeměnu energie. Přeměňuje částice vodíku a kyslíku na vodu a přitom vyrábí elektřinu, stejnosměrný proud.
Palivových článků je mnoho druhů, některé se již používají v autech, jiné se testují ve výzkumu. Většina z nich používá jako hlavní vodík a kyslík chemické prvky potřebné pro konverzi.
K podobnému postupu dochází i u běžné baterie, rozdíl je pouze v tom, že všechny potřebné chemikálie potřebné pro přeměnu má již „na palubě“, přičemž palivový článek lze „nabíjet“ z externího zdroje, díky čemuž proces „ výroba“ elektřiny může pokračovat. Vedle vodní páry a elektřiny je dalším vedlejším produktem procedury vznikající teplo.
Vodík-kyslíkový palivový článek s membránou pro výměnu protonů obsahuje polymerní membránu vodivou protony, která odděluje dvě elektrody, anodu a katodu. Každá elektroda je obvykle uhlíková deska (matrice) s naneseným katalyzátorem – platinou nebo slitinou platinoidů a dalšími kompozicemi.
Na anodovém katalyzátoru molekulární vodík disociuje a ztrácí elektrony. Vodíkové kationty jsou vedeny přes membránu ke katodě, ale elektrony jsou vydávány do vnějšího obvodu, protože membrána neumožňuje průchod elektronů.
Na katodovém katalyzátoru se molekula kyslíku spojí s elektronem (který je dodáván z vnější komunikace) a příchozím protonem a vytvoří vodu, která je jediným reakčním produktem (ve formě páry a/nebo kapaliny).
wikipedia.org
Aplikace v automobilech
Ze všech typů palivových článků se nejlepším kandidátem pro použití ve vozidlech staly palivové články založené na protonových výměnných membránách nebo, jak se jim na Západě říká, Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Hlavními důvody jsou jeho vysoká hustota výkonu a relativně nízká provozní teplota, což zase znamená, že uvedení palivových článků do provozu nezabere mnoho času. Rychle se zahřejí a začnou vyrábět potřebné množství elektřiny. Využívá také jednu z nejjednodušších reakcí ze všech typů palivových článků.
První vozidlo s touto technologií bylo vyrobeno již v roce 1994, kdy Mercedes-Benz představil MB100 založený na NECAR1 (nový elektromobil 1). Kromě nízkého výkonu (pouze 50 kilowattů) bylo největším nedostatkem této koncepce to, že palivový článek zabíral celý objem nákladového prostoru dodávky.
Také z hlediska pasivní bezpečnosti to byl hrozný nápad pro sériovou výrobu, vzhledem k nutnosti instalovat na palubu masivní nádrž naplněnou hořlavým tlakovým vodíkem.
Během následujícího desetiletí se technologie vyvíjela a jeden z nejnovějších konceptů palivových článků od Mercedesu měl výkon 115 koní. (85 kW) a dojezd cca 400 kilometrů před tankováním. Němci samozřejmě nebyli jedinými průkopníky ve vývoji palivových článků budoucnosti. Nezapomeňte na dva Japonce, Toyotu a . Jedním z největších automobilových hráčů byla Honda, která představila sériový vůz s elektrárna na vodíkové palivové články. Leasingový prodej FCX Clarity ve Spojených státech začal v létě 2008, o něco později se prodej vozu přesunul do Japonska. 
Toyota šla ještě dál s Mirai, jehož pokročilý systém vodíkových palivových článků je zjevně schopen poskytnout futuristickému vozu dojezd 520 km na jednu nádrž, kterou lze natankovat za méně než pět minut, stejně jako konvenční. Čísla spotřeby paliva ohromí každého skeptika, jsou neuvěřitelná i na auto s klasickou elektrocentrálou, spotřebuje 3,5 litru, bez ohledu na to, zda je vůz používán ve městě, na dálnici nebo v kombinovaném cyklu.
Uplynulo osm let. Honda ten čas dobře využila. Druhá generace Hondy FCX Clarity je nyní v prodeji. Jeho sady palivových článků jsou o 33 % kompaktnější než u prvního modelu s 60% nárůstem hustoty výkonu. Honda tvrdí, že palivový článek a integrovaná pohonná jednotka v Clarity Fuel Cell jsou velikostí srovnatelné s motorem V6 a ponechává dostatek vnitřního prostoru pro pět cestujících a jejich zavazadla.
Odhadovaný dojezd je 500 km a startovací cena nových položek by měla být pevně stanovena na 60 000 USD. Drahý? Naopak je velmi levná. Na začátku roku 2000 stála auta s těmito technologiemi 100 000 dolarů.
