História palivových článkov

Princíp palivových článkov je známy od polovice 19. storočia. Princíp funkcie palivového článku objavil v roku 1838 švajčiarsky vedec Christian Friedrich Schönbein. Na základe článku, ktorý Schönbein publikoval v jednom z odborných časopisov danej doby, zostavil v nasledujúcom roku prvú funkčnú koncepciu palivového článku waleský sudca, vedec a vynálezca sir Wiliam Robert Grove. Grove ako prvý zistil, že elektrickú energiu možno vyrábať procesom, ktorý je inverzný k elektrolýze vody.

Platinové elektródy, ktoré vo svojom článku použil, boli v sklenených rúrkach dolným koncom ponoreným v elektrolyte – kyseline sírovej. Horná časť rúrok bola uzatvorená a vypĺňaj ju kyslík a vodík. Palivový článok sira Grova produkoval elektrické napätie približne 1 V. (Porš, 2009). Termín palivový článok bol však prvýkrát použitý až v roku 1889, keď sa Charls Langer a Ludwig Mond pokúsili vytvoriť funkčný článok pracujúci so vzduchom a svietiplynom. Prvé úspešné zariadenie vyvinul v roku 1932 Francis Thomas Bacon. Tento článok na kyslíkovo-vodíkovej báze využíval niklové elektródy.

V spolupráci s kolegami potom Bacon v roku 1959 zostrojil zariadenie s palivovým článkom, ktoré poháňalo stroj na zváranie. V tom istom roku Hary Karl Ihring skonštruoval a verejnosti predviedol traktor s výkonom 20 konských síl, poháňaný alkalickým palivovým článkom s výkonom 15 kW. (Kürthy, 2009) Prvá významná aplikácia vznikla v 50. až 60. rokoch 20. storočia, keď NASA v spolupráci so spoločnosťou Pratt & Whitney použila palivové články ako zdroj energie vo svojom vesmírnom programe pre misie Apollo a Gemini. (Luby, Hecl, 2004)

Funkcia palivových článkov

Palivový článok je transformátor chemickej energie na energiu jej priamou premenou. Konštrukčne a funkčne je palivový článok porovnateľný s galvanickým, avšak existuje medzi nimi jeden zásadný rozdiel. Batéria slúži na uchovávanie elektrickej energie. Maximálna dostupná energia v batérii je určená množstvom chemických reaktantov, ktoré sa v samotnej batérii nachádzajú. Keď sa tieto látky spotrebujú (batéria sa vybije), prestane sa uvoľňovať elektrická energia. Palivový článok je však zariadenie na priamu premenu chemickej energie obsiahnutej v palive na energiu elektrickú, jeho životnosť je obmedzená iba dodávkou paliva a životnosťou jednotlivých komponentov.

Principiálnu schému palivového článku možno vyjadriť nasledujúcim obrázkom. Pod pojmom energia tu rozumieme elektrickú, ale aj tepelnú energiu, na rozdiel od obyčajného horenia, pri ktorom sa uvoľňuje iba tepelná energia. Palivo, napríklad vo forme vodíka, sa privádza na anódu palivového článku. Tu sa atóm vodíka zbavuje svojho jediného elektrónu, čím sa mení na kladný ión H+. Na anóde dochádza k opačnému procesu za prítomnosti kyslíka, kde sa atóm kyslíka zlučuje s dvoma elektrónmi a vzniká anión O2-. H+ potom migruje prostredníctvom elektrolytu smerom ku katóde. Uvoľnené elektróny tiež putujú smerom ku katóde, avšak inou cestou, elektrickým vodičom.

Tým vzniká elektrický prúd v uzatvorenom obvode. Katióny vodíka sa na katóde zlučujú s kyslíkovými aniónmi, čím sa dokončí chemická reakcia premeny vodíka a kyslíka na vodu. (Porš, 2002) Podľa Lubyho a Hecla (2004) možno chemické reakcie prebiehajúce v palivových článkoch popísať nasledujúcimi chemickými rovnicami Palivový článok sa teda skladá z dvoch elektród oddelených elektrolytom alebo iónovomeničovou membránou. Jednotlivé palivové články sa skladajú do stackov (zväzkov), jednotlivé články sú od seba oddelené bipolárnymi doskami. Na elektródach dochádza k chemickým reakciám palivového článku.

Palivo aj okysličovadlo sa prevažne privádzajú vo forme plynu, a preto je dôležitá čo najväčšia kontaktná plocha elektród. Elektróda a palivo sú zároveň v kontakte s elektrolytom, a tak vzniká oblasť, kde sa dotýkajú tri fázy. Na tejto hranici sa vodíkové elektróny uvoľňujú a katióny putujú do elektrolytu, resp. sa opätovne zlučujú s atómami kyslíka, následkom čoho vzniká voda. Z tohto dôvodu majú elektródy pórovitú štruktúru, pretekaniu elektrolytu cez ich jadro zabraňuje tlak dodávaného plynu. (Porš, 2002)

Schematický rez elektródou je zobrazený na nasledujúcom obrázku.

Katalyzátory majú za úlohu spúšťať alebo urýchľovať chemické reakcie v palivovom článku, pričom sa reakciami samy neopotrebúvajú. Ideálnymi materiálmi na aktivitu vodíka (ktorý je najviac používaným palivom palivových článkov) v kyslom prostredí sú platina, paládium a nikel. Platina je tiež najvhodnejším katalyzátorom na redukciu kyslíka. Aby palivový článok fungoval správne, na katalyzátore je potrebná vrstva platiny s obsahom 4 až 8 mgcm2. Takéto množstvo platiny však článok výrazne predražuje, preto sa z ekonomického hľadiska pristupuje k použitiu platiny nanesenej na uhlíkový základ, čím sa jej obsah zníži na 0,1 mg/cm2. V súčasnosti sa pri výrobe palivových článkov začínajú využívať aj biotechnológie, keď sa namiesto kovových katalyzátorov využívajú biologické enzýmy. (Kürthy, 2009)

Bipolárne dosky sú umiestnené medzi jednotlivými článkami, pričom tvoria zväzky. V prvom rade umožňujú kontakt medzi jednotlivými článkami, a tak vedú elektrický prúd. Chladiace kanáliky odvádzajú odpadové teplo z chemických reakcií. Palivové kanáliky slúžia na prepúšťanie paliva k elektródam článkov a zároveň odvádzajú odpadové produkty reakcií. Bipolárne dosky slúžia v neposlednom rade aj na celkové utesnenie priestorov medzi článkami vo zväzku. Vyrábajú sa z uhlíkových polymérov, prípadne z grafitu. Grafit sa vyznačuje výbornou elektrickou vodivosťou a odolnosťou proti korózii, avšak jeho pórovitá štruktúra umožňuje prestup plynného paliva.

Z tohto dôvodu sa do grafitu pridávajú prímesi, ktoré zvyšujú jeho nepriepustnosť, čo však zvyšuje náklady na výrobu. Využíva sa napr. polypropylén, do ktorého sú pridané čiastočky grafitu na zlepšenie elektrickej vodivosti. Grafit tvorí 50 až 80 % hmotnosti polyméru, čím sa, samozrejme, aj menia jeho vlastnosti, napr. zvyšuje sa jeho krehkosť. So zvyšujúcim sa obsahom grafitu v polyméri sa zvyšuje aj náročnosť jeho výroby, a teda aj konečná cena. (Kürthy, 2009) Elektrolyt je elektrický izolátor umožňujúci tok voľných elektrónov po obvode palivového článku. Nachádza sa medzi anódou a katódou a vytvára medzi nimi elektrické napätie. Ak je palivom vodík, dosahuje toto napätie približne 1,23 V.

Pri výbere elektrolytu sa hlavný dôraz kladie na jeho dielektrickú schopnosť a tiež na jeho odolnosť proti degradácii pri použití uhľovodíkového paliva. Palivové články sa podľa druhu použitého elektrolytu rozdeľujú na šesť základných typov, ktoré sú podľa pracovnej teploty rozdelené do troch kategórií. Palivové články na základe svojej štruktúry a technológie práce dosahujú rôzne výkony, a teda možno stanoviť rozsah ich použitia, ako to definuje Luby. Hecl (2004). Mnohé vlastnosti palivových článkov ich pasujú do pozície vhodných zariadení na premenu energie.

Medzi najpodstatnejšie vlastnosti sa radí vysoká efektivita a veľmi nízka environmentálna záťaž. Elektrická účinnosť palivových článkov dosahuje podľa Porša (2002) 40 až 55 % nižšej výhrevnej hodnoty (LHV) paliva. Hybridné systémy, ktoré kombinujú palivový článok s parnou turbínou, dosahujú efektivitu viac ako 70 % LHV. Vysoká efektivita palivových článkov je prakticky nezávislá od ich výkonu. Súčasné palivové články uvoľňujú množstvo regulovaných emisií na hranici merateľnosti detekčných prístrojov. Palivové články nepotrebujú na svoju činnosť pohyblivé časti, preto svojou prevádzkou nezaťažujú okolie hlukom.

Aplikácie palivových článkov

Na základe vlastností uvedených v predchádzajúcej kapitole sú hlavné aplikácie palivových článkov hlavne v oblasti stacionárnych zdrojov, pohonu dopravných prostriedkov a autonómnych zdrojov energií. Skutočnosť, že vysoká účinnosť palivových článkov je v podstate nezávislá od inštalovaného výkonu, sa s prehľadom využíva pri návrhu stacionárnych zdrojov s palivovými článkami. O malých stacionárnych jednotkách pre individuálnych používateľov sa v lokalitách bez pripojenia k rozvodnej sieti uvažuje ako o alternatíve motorových generátorov, pretože ponúkajú tichú a efektívnu prevádzku. Pri rastúcich cenách palív sú vyššie prvotné investície vyvážené úsporami pri prevádzke.

V Európe sú takmer všetci používatelia pripojení na rozvodnú sieť, preto budú malé stacionárne zdroje s palivovými článkami vnímané, pravdepodobne, skôr ako alternatíva domáceho bojlera, ktorý popri príprave teplej vody pokryje časť elektrickej spotreby domácnosti ako pridanú hodnotu. Väčšie jednotky pre združenú výrobu elektrickej energie a tepla, založené na palivových článkoch sú určené na distribuovanú výrobu energie v blízkosti jej spotreby. Môžu slúžiť ako jednoduchá náhrada mestskej teplárne s dostatočnou kapacitou na produkciu elektrickej energie, ale aj na nepretržité energetické zásobovanie prevádzok, ktoré požadujú vysokú energetickú bezpečnosť. Tieto jednotky sú najčastejšie napájané zemným plynom.

Už od konca 80. rokov minulého storočia pracujú všetky renomované automobilky na vývoji palivových článkov ako ekologickej a spoľahlivej náhrade spaľovacieho motora pre automobily a iné dopravné prostriedky. Cennou vlastnosťou palivového článku, ktorú experimentálne dopravné prostriedky využívajú, je skutočnosť, že ako palivo možno využívať takmer všetky uhľovodíky. Pre automobilový priemysel tak prichádzajú do úvahy dnes bežne dostupné palivá, ako nafta, benzín, LPG, v budúcnosti po vybudovaní potrebnej infraštruktúry sa počíta s presadením vodíka. Palivové články majú veľký potenciál ako zdroj energie. Na jeho rozvinutie však potrebujú ešte určitý čas a obrovské úsilie výskumných tímov, aby sme sa s týmto zdrojom energie stretávali pri svojich každodenných činnostiach.

Literatúra

[1] Kürthy, M. Palivový článek jako alternativní zdroj elektrické energie. Diplomová práca. Brno Vysoké učení technické 2009.
[2] Luby, P. – Hecl, V. Súčasný stupeň rozvoja a vývoja palivových článkov. In Magazín energia, 2004, č. 2.
[3] Porš, Z. Palivové články. Ústav jaderného výskumu Řež, Divize ­jaderné bezpečnosti a energetiky, 2002.

 

Ing. Ján Adamec, PhD.
HMH, s.r.o.