Palivové články – II

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

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.