Jak fungují palivové články?

Palivový článek v podstatě funguje jako elektrolýza naruby, používá dvě elektrody oddělené elektrolytem. Anoda (záporná elektroda) přijímá vodík a ke katodě (kladná elektroda) je přiváděn kyslík. Katalyzátor na anodě rozděluje vodík na kladně nabité vodíkové ionty a elektrony. Kyslík je ionizovaný a migruje elektrolytem k anodické části, kde se slučuje s vodíkem. Obvyklý palivový článek dává v zátěži 0,6 – 0,8 V. Pro dosažení vyšších napětí se články spojují do sérií (souborů). Obrázek 1 znázorňuje princip fungování palivového článku.

Obrázek 1: Princip palivového článku.
Anoda (záporná elektroda) přijímá vodík a ke katodě (kladná elektroda) je přiváděn kyslík. (Zdroj: US Department of Energy, office of Energy Efficiency and Renewable Energy)

V přeměně uhlíkového paliva na energii je technologie palivových článků dvakrát účinnější než proces spalování. Vodík, nejjednodušší chemický prvek (tvoří jej jeden proton a jeden elektron), je v přírodě hojně zastoupen a jako palivo je výjimečně čistý. Vodík tvoří téměř 90 % vesmíru a je třetím nejčetnějším prvkem na zemském povrchu. Taková hojnost paliva by poskytla téměř neomezenou zásobu čisté energie za relativně nízkých nákladů. Ale má to háček.

Vodík je většinou vázán s jinými látkami a k „uvolnění“ plynu je potřeba energie. Z hlediska výhřevnosti (NCV) je nákladnější vyrobit vodík než benzín. Někdo říká, že vodík je téměř energeticky neutrální v tom smyslu, že jeho výroba potřebuje tolik energie, kolik je pak vodík sám schopen dodat.

Ukládání vodíku představuje další nevýhodu. Stlačený vodík vyžaduje těžké ocelové nádrže a výhřevnost vztažená k objemu je přibližně 24krát nižší než u kapalných ropných produktů. V kapalné formě má vodík mnohem větší hustotu, ale potřebuje silnou izolaci pro uchování v dostatečném chladu.

Vodík lze také vyrobit procesem extrakce ze stávajícího paliva, jakým je třeba metanol, propan, butan nebo zemní plyn. Přeměna fosilního paliva na čistý vodík je doprovázena uvolněním zbylého uhlíku, ale tato reakce uvolňuje výrazně méně škodlivin než spalovací motory. Zařízení pro takové zušlechtění paliva by ale zvýšilo hmotnost vozidla a zvýšilo jeho cenu. Tato zařízení jsou navíc pomalá. Reálný přínos přeměny vodíku je otázkou, protože to neřeší problém energie potřebné na jeho výrobu.

Zde jsou představeny nejobvyklejší typy palivových článků.

Palivový článek s polymerní membránou (PEMFC)

Membrána vodivá pro protony známá jako „proton exchange membrane“, zkráceně PEM, používá polymerní elektrolyt. PEM je jedním z nejvyvinutějších a nejběžněji používaných palivových článků. Pohání auta, slouží jako přenosný zdroj energie a jako záložní zdroj místo stacionárních baterií v kancelářích. Systém PEM umožňuje kompaktní provedení a dosahuje vysokého poměru vyrobené energie k hmotnosti. Další výhodou je relativně rychlý náběh při použití vodíku. Soubor palivových článků funguje při mírné teplotě 80°C a má účinnost 50 %. (Spalovací motor má účinnost 25 – 30 %.)

Nevýhodou jsou vysoké výrobní náklady palivového článku typu PEM a složitý systém regulace vody. Palivové články obsahují vodík, kyslík a vodu. Když jsou suché, voda se musí přidat, aby se systém nastartoval. Příliš mnoho vody způsobuje zaplavení. Palivové články vyžadují vodík vysoké chemické čistoty; palivo nižší kvality může způsobit rozpadání a ucpání membrány. Zkoušení a oprava souboru palivových článků je obtížná, je to dáno tím, že soubor o 150 V vyžaduje 250 článků.

Mrznoucí voda může soubor poškodit, jako prevence tvorby ledu lze přidat topný prvek. Při chladných teplotách je náběh pomalý a výkon je zpočátku bídný. Přebytečné teplo také může způsobit poškození. Sledování teploty a dodávání kyslíku vyžaduje kompresory, čerpadla a další doplňky, které spotřebovávají okolo 30 % vyrobené energie.

Při provozování polymerního palivového článku v autě má soubor článků typu PEMFC životnost odhadovanou na 2 000 – 4 000 hodin. Zvlhnutí a vysušení, ke kterému dochází při jízdě na krátkou vzdálenost, přispívá k namáhání membrány. Stacionární soubor článků poslouží při nepřetržitém provozu po dobu asi 40 000 hodin. Palivové články nepřestanou fungovat okamžitě, ale jejich výkonnost postupně klesá podobně jako u baterií. Výměna souboru palivových článků představuje velký výdaj.

Alkalický palivový článek (AFC)

Palivový článek s alkalickým elektrolytem se stal upřednostňovanou technologií v oblasti letectví a kosmonautiky, včetně raketoplánů. Výrobní a provozní náklady jsou nízké, zejména při použití souboru palivových článků. Zatímco separátor pro palivový článek typu PEM stojí mezi 800 až 1 100 dolary na m², cena za separátor pro alkalický systém je téměř zanedbatelná. (Separátor pro olověný akumulátor stojí 5 $ za m².) Regulace vody je jednoduchá, nevyžaduje kompresory ani další periferní zařízení; účinnost se pohybuje kolem 60 %. Nevýhodou je, že palivový článek typu AFC má větší rozměry než článek typu PEM a jako palivo potřebuje čistý kyslík a vodík. Množství oxidu uhličitého obsaženého v ovzduší znečištěného města může palivové články poškodit, což předurčuje AFC články jen pro specializované využití.

Palivový článek s tuhými oxidy (SOFC)

Elektrické přístroje používají tři typy palivových článků, což jsou palivové články s tavenými uhličitany, kyselinou fosforečnou a tuhými oxidy. Z těchto tří typů je palivový článek s tuhými oxidy nejméně vyvinutý, ale nově si získal pozornost díky pokrokům v oblasti materiálu článku a v uspořádání souboru článků. Nová generace keramických materiálů posunula provozní teplotu jádra dolů k lépe zvládnutelné teplotě 500 - 600°C místo dřívější vysoké provozní teploty 800 - 1000°C. To umožňuje použít pro pomocné díly místo drahé keramiky běžnou nerezovou ocel.

Vysoká teplota umožňuje přímé uvolnění vodíku ze zemního plynu procesem katalytického reformingu. Oxid uhelnatý, znečišťovatel pro PEM, je palivem pro palivové články typu SOFC. Schopnost přijmout palivo na bázi uhlíku bez nutnosti použít zušlechťovací zařízení a vysoká účinnost představují významné výhody tohoto typu palivových článků. Kogenerace pohánějící parní generátory vedlejším produktem v podobě tepla zvyšuje účinnost SOFC na 60 %, to je jedna z nejvyšších účinností mezi palivovými články. Nevýhodou vysoké teploty článků je nutnost použití neobvyklých materiálů, což zvyšuje výrobní náklady a snižuje životnost.

Palivový článek pro přímou reakci metanolu (DMFC)

Pozornost si získaly přenosné palivové články a nejslibněji se vyvíjí palivový článek pro přímou reakci metanolu (direct methanol fuel cell). Tato malá jednotka není drahá na výrobu, je praktická a nepotřebuje stlačený vodíkový plyn. DMFC článek má dobré elektrochemické vlastnosti a doplňování se provádí vstříknutím kapaliny nebo výměnou zásobníku s náplní. To umožňuje nepřetržitý provoz bez prostojů.

Obrázek 2: Palivový mikročlánek. Prototyp tohoto palivového mikročlánku je schopný dodat 300 mW nepřetržité energie.
(Zdroj: Toshiba)

Obrázek 3: Palivový článek Toshiba s doplňovacím zásobníkem. Palivo v 10 ml zásobníku je 99,5 % metanol.
(Zdroj: Toshiba)

Výrobci připouští, že nahrazení baterií palivovými články je roky vzdálené. Pro překlenutí té doby slouží palivové mikročlánky jako nabíječky umožňující nepřetržitý provoz baterií.

Obrázek č. 2 ukazuje palivový mikročlánek od Toshiby a obrázek č. 3 demonstruje doplňování 99,5 % metanolu.

Stále dochází ke zlepšením, Toshiba uvedla prototyp palivového článku pro laptopy a podobná zařízení, který generuje 20 až 100 wattů. Jednotky jsou kompaktní a měrná hustota energie je porovnatelná s NiCd bateriemi. Panasonic současně tvrdí, že zdvojnásobil výkon při podobné velikosti, přičemž tento palivový článek má dosahovat životnosti 5 000 hodin, pokud je používán přerušovaně po dobu 8 hodin denně. Je nutné počítat s nízkou životností těchto palivových článků.

Obrázek 4: Přenosný palivový článek pro běžné spotřebitele. Palivový článek převádí vodík a kyslík na elektřinu a jako jediný vedlejší produkt vzniká čistá voda. Lze jej používat i v uzavřených prostorách jako generátor elektřiny. (Zdroj: SFC Smart Fuel Cell AG (2010))

Probíhají pokusy s malými palivovými články poháněnými vodíkem. Výhodou čistého vodíku oproti metanolu je jeho vyšší účinnost a menší velikost. Tyto miniaturní systémy nemají žádná čerpadla a ventilátory a jsou úplně tiché. Náplň o objemu 21 cm³ má poskytnout stejné množství energie jako asi 10 alkalických bateriích typu AA s délkou provozu 20 hodin, než musí být doplněno palivo. To je předurčuje pro přenosné počítače, bezdrátová zařízení a svítilny pro kola.

Armáda a amatérští uživatelé také experimentují s miniaturními palivovými články. Obrázek 4 znázorňuje přenosný palivový článek od SFC Smart Fuel Cell. Jejich palivový článek EFOY je k dostání v několika různých kapacitách od 600 do 2160 Wh na den.

Následující tabulka popisuje použití obvyklých palivových článků a shrnuje jejich výhody a omezení. Tabulka zahrnuje i palivové články s tavenými uhličitany (MCFC) a s kyselinou fosforečnou (PAFC), klasické systémy palivových článků, které už nějakou dobu existují a mají jedinečné výhody.

Tabulka 1: Výhody a omezení různých systémů palivových článků.
Vývoj v oblasti palivových článků je pozvolný; měrný výkon je nízký a přímé nahrazení baterií se nemusí nikdy podařit.

Vývoj

Mezi omezení palivových článků patří pomalý náběh, nízký výkon, zdlouhavá reakce na požadavek změny výkonu, nízká odolnost vůči zátěži, malý rozsah výkonu, krátká životnost a vysoké náklady. Podobně jako u baterií se i u palivových článků jejich výkon časem snižuje a soubor článků postupně ztrácí účinnost. U spalovacího motoru jsou tyto ztráty výkonu mnohem méně patrné.

Obrázek 5: Rozsah výkonu přenosného palivového článku
Vysoký vnitřní odpor způsobuje, že napětí článku s rostoucím zatížením systému rychle klesá. Oblast výkonu je omezena mezi 300 až 800 mA. (Zdroj: Cadex)

Palivové články do 1 kW nejsou obvykle pod tlakem a k vhánění kyslíku používají pouze ventilátor. Palivové články nad 1 kW jsou pod tlakem a obsahují kompresor, který snižuje účinnost a také zvyšuje hlučnost systému. Relativně velký vnitřní odpor palivových článků představuje další výzvu. Každý článek ze souboru dává naprázdno asi 1 V; při vysokém zatížení dochází ke znatelnému poklesu napětí. Podobně jako u baterií i zde klesá rozsah výkonu, jak článek stárne. Je také známo, že jednotlivé články v souboru palivových článků způsobují poruchy a ve velké míře k tomu přispívají znečišťující látky. Obrázek č. 5 znázorňuje napětí a rozsah výkonu jako funkci zatížení systému.

Palivové články nejlépe pracují při 30 % zatížení systému. Vyšší zatížení snižuje účinnost systému. Toto a také špatná odezva regulátoru předurčují palivový článek k použití jako podpůrné zařízení nebo jako nabíječku udržující baterie v nabitém stavu. K tomu, aby palivové články sloužily jako samostatné zdroje energie, jak vývojáři doufali, zatím nedošlo.

Paradox palivových článků

Palivové články si užily velké popularity v 90. letech, kdy vědci a obchodníci s akciemi prorokovali, jak svět poběží na čistý a nevyčerpatelný zdroj – vodík. Předpovídali, že auta budou jezdit na palivové články a že elektřina v domácnostech se také bude vyrábět pomocí palivových článků. Ceny akcií prudce stouply, ale vodíkový sen byl zkrocen nízkým výkonem, vysokými výrobními náklady a omezenou životností palivových článků.

Říkalo se, že palivové články změní svět tak jako mikroprocesor v 70. letech. Měli bychom k dispozici čistý a nevyčerpatelný zdroj energie, který by vyřešil obavy o životní prostředí v souvislosti se spalováním fosilních paliv. Mezi lety 1999 až 2001 se do vývoje palivových článků aktivně zapojilo více než 2000 organizací. A čtyři firmy z těch největších výrobců palivových článků v Severní Americe uvolnilo obchodovatelné akcie v hodnotě přes miliardu amerických dolarů. Co se pokazilo?

Vodík není sám o sobě zdrojem energie, ale je prostředkem pro přenos a ukládání energie podobně jako elektřina, která nabíjí baterii. Pro dosažení vize „spalování nekonečného množství vodíku“ musí být toto palivo nejdříve vyrobeno, protože vodík nelze jednoduše čerpat ze země jako třeba ropu. K výrobě vodíku se hodí fosilní paliva, ale použití těchto cenných paliv k získání čistého vodíku nedává smysl, když náklady na takový proces jsou stejné nebo vyšší, než kdyby byly rovnou spáleny. Jedinou výhodou je snížení tvorby skleníkových plynů.

Stejně jako v polovině 19. století padly pokusy pohánět letadla párou, je možné, že palivové články se nikdy nestanou zdrojem energie, v který vědci doufali. Ale je zde obnovený zájem v automobilovém průmyslu v Japonsku. Palivové články nahrazují baterie a dieselové agregáty v administrativních budovách, protože je lze instalovat v malých prostorách, s minimální údržbou a bez nutnosti odvětrání. Palivové články umožňují nepřetržitý a čistý provoz vysokozdvižných vozíků ve skladech, zatímco další palivové články vyrábí čistou elektřinu ve vzdálených místech.

Palivové články možná budou jednoho dne pohánět rolující letadla s elektrickým motorem pro pohon kol. Snížilo by se znečištění a ušetřily až 4 % paliva, protože by nemusely běžet proudové motory. Voda vyrobená z palivových článků během nabíjení baterií by mohla sloužit jako pitná voda na palubě; regenerativní brzdění by mohlo dále pomoct s nabíjením baterií a superkapacitorů pro rychlé nabíjení. Posledním snem je pohánět letadla a auta čistým palivovým článkem.

(Redakčně kráceno)

Zdroj:
Battery university: BU-210: How does the Fuel Cell Work? [online]. [cit. 2017-10-25].
Dostupné z: http://batteryuniversity.com/learn/article/fuel_cell_technology