Obnovitelné zdroje

Článků v rubrice: 196

Palivové články – II

V minulém čísle jsme se seznámili s jejich principem a historií, dnes se dozvíte o jejich typech a příkladech použití.

Fotogalerie (5)
Ilustrační foto

V současné době existuje několik základních typů, které se liší především druhem elektrolytu a provozní teplotou. Tím je dáno i odlišné konstrukční provedení, způsob provozu a přípravy paliva.
Podle provozní teploty se palivové články dělí na:
• nízkoteplotní 60 ÷ 130 °C
• středněteplotní 160 ÷ 220 °C
• vysokoteplotní 600 ÷ 1050 °C
Podle typu elektrolytu se dělí na články s:
• alkalickým elektrolytem (AFC – Alkaline Fuel Cell)
• polymerní elektrolytickou membránou (PEM – Polymer Electrolyte Membrane)
• kyselinou fosforečnou (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell)
• taveninou alkalických uhličitanů (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell)
• pevným oxidickým elektrolytem (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell)

AFC
Palivový článek s alkalickým elektrolytem je jedním z prvních moderních palivových článků, vývoj v této oblasti se datuje od roku 1960. Výhodou AFC je vynikající výkon při použití vodíku a kyslíku ve srovnání s ostatními typy palivových článků v důsledku aktivní kyslíkové kinetiky elektrod a široký rozsah možných katalyzátorů. Jako okysličovadlo se používá čistý O2 nebo vzduch, ze kterého je nutno odstranit CO2 (ten by reagoval s KOH na K2CO3 a znehodnocoval elektrolyt). Palivem bývá čistý H2.
Od tohoto typu článků se v současné době upouští, neboť je problém s potřebou časté výměny a recirkulace elektrolytu.

PEMFC
Palivové články s polymerní elektrolytickou membránou se vyznačují vysokou proudovou hustotou, což umožňuje konstrukci s nízkou hmotností i rozměry. Pevná elektrolytická membrána zjednodušuje těsnění v chemickém procesu, snižuje korozi a zvyšuje životnost článku. PEMFC pracují při nízkých teplotách, což dovoluje rychlejší najíždění a okamžitou odezvu na změnu požadovaného výkonu. Z těchto důvodů se PEMFC hodí především pro pohon vozidel, ale jsou vyvíjeny i jako malé stacionární jednotky.

PAFC
Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) jsou dosud jediným komerčně využívaným typem palivových článků. Dnes je běžná provozní teplota 200 °C a elektrolyt 100% H3PO4. Největší takové zařízení je v Japonsku a má elektrický výkon 11 MW.

MCFC
Palivové články s taveninou alkalických uhličitanů pracují při teplotě přibližně 650 °C. Tato teplota je potřebná k zajištění dostatečné vodivosti uhličitanového elektrolytu a ještě dovoluje použití levných kovových součástí článku. Při této teplotě nejsou pro elektrochemickou reakci potřebné drahé kovy jako katalyzátor. MCFC jsou vyvíjeny pro použití zemního a uhelného plynu pro průmyslové a vojenské aplikace.
Problémem je vysoce korozivní prostředí, což má negativní vliv na životnost elektrod.

SOFC
Vysokoteplotní palivové články s pevným elektrolytem se vyznačují provozní teplotou běžně přesahující 800 °C. Protože zde není kapalný elektrolyt, odpadají problémy s korozí doprovodného materiálu a s elektrolytovým hospodářstvím. Vysoká teplota umožňuje, podobně jako u MCFC, využití spalin z palivového článku pro kogeneraci. Pevný charakter všech komponent článku SOFC v principu znamená, že nejsou kladena žádná omezení na jeho uspořádání a lze jej proto koncipovat v různých geometrických tvarech.

Zařízení s palivovými články
Funkční systém s palivovými články se skládá z více zařízení než jen z palivových článků. Celý systém sestává v principu ze tří základních podsystémů (jak je znázorněno na obrázku): systému přípravy a reformingu paliva, souboru palivových článků a měniče elektrického proudu ze stejnosměrného na střídavý.

Soubor článků
Z důvodu zvýšení jmenovitého elektrického napětí a výkonu je nutno elementární články spojovat do větších celků o desítkách, stovkách až tisících článků. Jednotlivé elementární články bývají odděleny tzv. bipolárními deskami, které mají dva účely: rozvod plynu a vyvedení elektrického proudu. Desky jsou vyrobeny z lehkého, pevného, pro plyny neprostupného a elektricky vodivého materiálu, obvykle z kovu, grafitu nebo kompozitního materiálu. Za účelem rozvodu plynu jsou na straně přilehlé ke krycí vrstvě vytvořeny rozváděcí kanálky. V principu neexistuje žádné omezení na počet elementárních článků v celkovém souboru a energetické jednotky proto lze konstruovat v širokém rozmezí výkonů od wattů po megawatty, přičemž malé jednotky pracují s takřka stejnou účinností jako velké.

Existující aplikace
Princip palivového článku a první demonstrační zařízení jsou známy již déle než 160 let. První úspěšné nasazení palivových článků spadá do 60. let 20. století.
Palivové články s výkonem v řádu jednotek a desítek wattů, jedná se především o typ PEMFC, se jeví perspektivní jako náhrada současných baterií do mobilních telefonů a přenosných počítačů. Přestože u nich ještě nejsou dořešeny všechny technické problémy, představují oproti zmíněným bateriím jednoznačný pokrok (delší doba provozu, rychlejší „nabíjení“) a z hlediska životnosti i ceny jsou srovnatelné.
Jako malé mobilní zdroje elektrické energie s výkonem maximálně 1kW lze teoreticky použít všechny typy palivových článků. Experimentální zařízení, lišící se svými parametry, existují po celém světě. Jen málo z nich je ale v tuto chvíli na takové úrovni, aby byla v historicky dohledné době připravena pro komerční výrobu.
Již dnes existuje řada prototypů vozidel poháněných palivovými články (především PEMFC, ale i AFC). Palivem je většinou vodík, v některých případech methanol. Přestože vodík je z ekologického hlediska ideálním palivem pro použití ve městech, přináší s sebou i řadu problémů a bezpečnostních rizik. Na sestrojení palivového článku využívajícího dnes běžná paliva, s cenou odpovídající automobilovým motorům i přijatelnou životností (aby bylo větší rozšíření takových vozidel z komerčního hlediska možné) se teprve pracuje.
Pro stacionární jednotky středních a vyšších výkonů se v budoucnu jeví jako nejperspektivnější vysokoteplotní články (MCFC a především SOFC). V současnosti jsou však nejrozšířenější zařízení pracující na principu PAFC. Ve srovnání s odpovídajícími konvenčními zdroji elektrické energie jako jsou plynové turbíny (maximální účinnost špičkových zařízení tohoto typu se dnes blíží 40 %, běžně 30 %), plynové motory (maximální účinnost dnes také přibližně 40 %) a paroplynová zařízení (účinnost až 55 %) představují hybridní systémy s palivovými články a plynovou turbínou značný nárůst elektrické účinnosti (v teoretických případech až k 70 %, zatím na úrovni 57 %).

Využití palivových článků
Teprve v minulém desetiletí se změnil náhled na palivové články z jakési vědecké kuriozity, eventuelně specielního zdroje elektřiny pro vesmírné lety, na v praxi upotře-
bitelné, účinné a ekologické zařízení. Jako největší překážka praktického nasazení
palivových článků se jeví jejich doposud
příliš vysoká cena.

Víte, že:
V ČR vyrábí alkalické palivové články benešovská firma Astris s.r.o., jedná se zatím pouze o kusovou výrobu jednotek o elektrickém výkonu v řádu do několika kilowattů.

Zdeněk Porš
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

America First – i v termojaderné fúzi!

Spojené státy pojaly ušlechtilý úmysl být první zemí na světě, která postaví termojadernou elektrárnu! Ve světle poněkud rozpačitého přístupu státních institucí USA k termojaderné fúzi v minulosti musí mnohého odvážná myšlenka překvapit. Ovšem v poslední době se blýskalo na lepší časy.

Vylepšování Jaderné elektrárny Temelín

Od 13. března do 11. května 2020 byl první temelínský blok v plánované odstávce pro výměnu paliva. Technici však vždy odstávku využijí také k dalším činnostem - k důkladným kontrolám a modernizacím. Temelín vyrábí elektřinu pro pětinu České republiky už 19 let!

Jak funguje produkce radionuklidů pro medicínu v době koronakrize

Nemocnice na celém světě řeší nejen COVID-19, ale i běžný provoz (i když mnohde v omezené míře). Moderní medicínu si neumíme představit bez nukleární medicíny a jejích pomocníků - radionuklidů. Produkce radionuklidů pro medicínu tedy musí pokračovat i v době pandemické krize.

Hledání hmotnosti neutrina

Částice, o níž se kdysi předpokládalo, že je nehmotná, hmotnost má. Je pravděpodobně 500 000 krát menší než elektron, případně ještě menší. Nový horní limit hmotnosti neutrina je 1,1 elektronvoltu. (Elektronvolt je kinetická energie, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu.

Kuriózní pojídání arsenu

Určité empirické zkušenosti s jedovatými látkami pocházejí již z doby prehistorické, ale první písemné zmínky o nich najdeme ve starém Egyptě. Vražedné a sebevražedné prostředky se těšily velké pozornosti také v antickém Řecku a Římě, avšak svého vrcholu dosáhlo travičství až v době renezance.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail