Palivové články

Co je palivový článek? 

Palivový článek je zdrojem proudu, který v něm vzniká elektrochemickou reakcí. Na rozdíl od nám všem známe baterie se do něj reakční látky přivádějí a odpady odvádějí neustále, takže na rozdíl od baterie je vlastně nevyčerpatelný. Přestože existuje mnoho různých typů, následující schéma tzv. vodíkového palivového článku nám pomůže pochopit, jak funguje:

Palivo (vodík H₂) se přivádí na kladnou elektrodu (anodu), kde se oxiduje (ztrácí elektron). Kyslík O₂ (okysličovadlo) přichází na elektrodu zápornou (katodu) a podléhá tam redukci (přijímá elektron). V elektrolytu mezi oběma elektrodami se reakční produkty mísí a vzniká voda H₂O.

Místo vodíku, který je nebezpečný svou třaskavostí, můžeme použít i jiné palivo, např. methanol, oxid uhelnatý CO, uhlovodíky (propan, různé druhy nafty a benzínu, zemní plyn), svítiplyn, bioplyn, plyn uvolňující se ze skládek. Dokonce se podařilo vyvinout i palivový článek spalující přímo uhlí. Protože práce vědců z americké Laboratoře Lawrence Livermora, kterým se podařilo zatím v laboratorních podmínkách otestovat palivový článek přeměňující přímo uhlí na elektřinu, může představovat velmi důležitý mezník ve vývoji energetiky, zastavíme se u ní několika slovy. Uhlí rozemleté na zrnka o velikosti do 1 mikrometru se smísí za teploty 750 až 850^oC s roztaveným uhličitanem lithným, sodným nebo draselným. Pak již vše probíhá standardním způsobem podle výše uvedeného schématu: vzdušný kyslík reaguje s uhlíkem na oxid uhličitý a energie se uvolňuje ve formě elektřiny.

Přestože známe řadu různých typů palivových článků, fungují všechny podle popsaného principu. Jde vlastně o jakési regulované hoření. Smísíme-li vodík s kyslíkem, získáme třaskavou směs, která exploduje za vzniku vody. Energie se uvolní ve formě tepla. Ve vodíkovém palivovém článku dochází k téže reakci, produktem je rovněž voda, ale energie se uvolní jako elektřina.

Výhody a problémy 

Velkou výhodou palivového článku je, že vyrábí elektřinu z paliva jaksi přímo, bez mezistupně tepelné elektrárny, takže emise jsou nižší a účinnost vyšší. Dosahuje až 70%, zatímco standardně dosahujeme při přeměně uhlí na elektřinu 40%. Proč potom místo elektráren nebudujeme gigantické palivové články? Prostě to neumíme. Palivový článek je dosti komplikované zařízení pracující za vysoké teploty (podle typu od 150 do 1200^oC), takže nároky na elektrodové materiály i vlastní elektrolyt jsou vysoké. Jako elektrolyty se používají např.iontoměničové membrány či vodivé keramické materiály, tedy dosti drahé materiály anebo kyselina fosforečná, hydroxid sodný či roztavené uhličitany alkalických kovů, což jsou pro změnu látky velmi agresivní. Právě tato náročnost způsobila, že po počátečním nadšení v 60.letech dvacátého století se palivové články kromě kosmického programu významněji neuplatnily.

Kde se uplatní? 

Přestože byl vynalezen již ve století devatenáctém, uplatnil se až v americkém kosmickém programu v šedesátých letech minulého století, kdy se NASA po krátkém období váhání mezi jaderným reaktorem a palivovým článkem dala přednost posledně jmenovanému. Konkrétně v programu Apollo se využíval pro výrobu elektřiny vodíkový tzv.alkalický palivový článek s roztokem hydroxidu draselného KOH jako elektrolytem. Zájem pak opět poklesl, když se ukázalo, že rozsáhlejší využití bylo nad možnostmi tehdejší technologie.

V uplynulých třiceti letech se však vývoj nezastavil, objevily se nové materiály i koncepce a posunuly se i naše priority - nyní klademe na ochranu prostředí mnohem větší důraz než tehdy. Prožíváme proto jakousi renesanci palivových článků, které se stále více uplatňují v mnoha oblastech. Po světě stojí na takových 200 zařízení. Slouží např. jako záložní jednotky tam, kde by výpadek sítě mohl způsobit vážné problémy - např. v nemocnicích či armádních zařízení. Využívají se na velmi odlehlých místech, kam je jednodušší dopravit palivo, nežli natáhnout kabel. Možná začínají konkurovat i elektrárnám. Na následujícím obrázku vidíme palivový článek o výkonu 2 MW instalovaný v Santa Claře v Kalifornii. Jde o nejvýkonnější instalovanou jednotku na světě:

Prakticky každý významnější výrobce automobilů pracuje na projektu elektromobilu napájeného palivových článkem. Zdá se, že jde o mnohem slibnější koncept než klasický elektromobil s akumulátorem, protože odpadá zdlouhavé nabíjení a nutná změna infrastruktury není tak rozsáhlá. Koncepci firmy General Motors vidíme na následujícím obrázku:

O stále rostoucím významu palivových článků svědčí i to, že Bushova administrativa nedávno přehodnotila svůj přístup k vývoji automobilů a prostředky, které vynakládala na vývoj automobilů s co největším dojezdem nyní převedla na projekty vozidel s palivovými články. Financování rozvoje nezůstává pouze na bedrech státu. Protože trh s palivovými články představuje nadějné a dynamicky se rozvíjející obchodní odvětví, tři přední světové firmy, Royal Dutch/Shell, Mitsubishi Corp a britská chemička Johnson Matthey založili vkladem 100 milionů USD investiční fond, pojmenovaný Conduit, který bude investovat do nadějných projektů spojených s komercializací palivových článků v Evropě a Severní Americe.

Samozřejmě není nová koncepce pohonu omezena jen na osobní automobily, ale můžeme se s ní setkat i v hromadné dopravě. Autobusy s palivovými články přepravují cestující již ulicemi několika měst, např.Chicaga.

Kromě jednotek pro pohon automobilů je na trhu k dispozici řada ještě menších, např. pro napájení počítačů, videokamer, mobilních telefonů. Na obrázku vidíme palivový článek pro napájení dopravní signalizace:

Za zmínku stojí využití palivových článků na skládkách, kde mohou spalovat uvolňující se plyny a kromě výroby elektřiny i přispívat k lepšímu prostředí. V současné době běží několik testovacích jednotek a připravuje se rozsáhlý program instalace těchto zařízení na 150 skládkách po celých Spojených státech. Palivové články jsou zkrátka užitečná zařízení a určitě se s nimi budeme setkávat stále častěji.