07212019ne

Využití vodíku

Palivové články

Úvod

V dnešním článku se zaměříme na palivové články, které jsou klíčovou technologií vodíkového hospodářství. S palivovými články začneme i přestože se nacházejí na samém konci životního cyklu vodíku.

Palivový článek je zařízení, které při elektrochemické reakci přeměňuje chemickou energii kontinuálně přiváděného paliva s oxidačním činidlem na energii elektrickou.
Oproti tepelným strojům s generátorem el. energie dosahují palivové články při výrobě elektrické energie vysokých účinností a to až 60 % v laboratorních podmínkách. Reálná účinnost však dosahuje pouze 35 - 50 %, dle zatížení a typu palivového článku. Vysoká účinnost je dána zejména tím, že přeměna energie je přímá, nikoliv přes mezistupně (tepelnou a mechanickou), jako je tomu např. u spalovacích motorů.

V současné době je vyvíjeno pět typů palivových článků lišících se především chemickým složením elektrolytu, provozními teplotami a možným palivem. Nízkoteplotní palivové články spalují s kyslíkem (většinou ze vzduchu) vodík nebo methanol, vysokoteplotní články mohou spalovat i některá konvenční uhlovodíková paliva. Jednotlivé typy článků vhledem k rozdílným provozním parametrům nacházejí uplatnění ve velmi odlišných aplikacích. Nízkoteplotní palivové články jsou dominantně využívány v mobilních aplikacích k výrobě elektrické energie, vysokoteplotní články naopak převládají v kombinované výrobě tepla a elektrické energie v aplikacích stacionárních.

Soubor dvou elektrod a elektrolytu je nazýván palivovou celou, palivovým článkem obvykle označujeme soubor palivových cel. (analogie s chemickými bateriemi). Palivové články jsou obvykle sestaveny z palivových cel v bipolárním uspořádání s ohledem na požadované výstupní parametry článku (především napětí a výkon).

Zjednodušený popis principu funkce palivového článku

Princip palivového článku lze nejsnáze objasnit na palivovém článku s polymerní membránou. Tento článek se skládá ze dvou elektrod na jejichž povrchu se nachází slabá vrstva uhlíku obsahujícím malé množství platiny, která zde slouží jako katalyzátor. Elektrody jsou od sebe odděleny tenkou polymerní membránou, která propouští kladně nabité ionty - protony (u katexové membrány).

Vodík je přiváděn na anodu, kde na vrstvě katalyzátoru dochází k jeho disociaci na kladné ionty (protony) a elektrony. Protony procházejí skrze polymerní vrstvu, elektrony jsou nuceny procházet externím okruhem a mohou tedy konat užitečnou práci. Na katodě pak sloučením dvou kladně nabitých vodíkových iontů (protonů), dvou elektronů a atomu kyslíku vzniká voda (vzhledem k provozní teplotě palivového článku obvykle v podobě páry). Na stranu katody je přiváděn čistý kyslík nebo častěji kyslík jako součást vzduchu.

PEMFC - Schematické znázornění palivového článku

Typy palivových článků

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Jako elektrolyt slouží iontoměničová polymerní membrána (většinou na bázi kyselých florovaných polymerů), která je výborným protonovým vodičem. Vzhledem k tomu, že jedinou kapalinou v tomto typu FC je voda, jsou minimalizovány problémy s korozí. Pro efektivní provoz je klíčovým problémem tzv. vodní režim; podmínky musí být nastaveny tak, aby se produkt - voda - neodpařovala rychleji než je produkována. Vysoký stupeň hydratace membrány je podmínkou pro její dobrou protonovou vodivost. Operační teplota je limitována použitým polymerem, většinou je nižší než 120°C (ačkoliv v současné době se provádí testy s novými materiály až k 200°C). Palivem je v tomto případě čistý vodík nebo methanol (DMFC - Direct Methanol FC, používaný většinou v přenosných aplikacích). Jako katalyzátor se využívá především Pt, případně Pt/Rh a jiné. Pro tento typ katalyzátorů je významným jedem CO, proto se musí zajistit, aby v palivu nebyla jeho koncentrace vyšší než 5 ppm.

Ballard fuel cell

Zdroj: www.ballard.com



Alkaline Fuel Cell (AFC)

Elektrolytem je 85 wt% KOH pro FC pracujících při vyšších teplotách (~250°C), pro nižší teploty (<120°C) se používá (35-50 wt%). Elektrolyt je udržován v porézním materiálu, kterým je ve většině případů azbest. Výhodou tohoto typu FC je možnost využití širokého spektra (levných) katalyzátorů - Ni, Ag, MeO, korund a vzácné kovy. Největším problémem je čistota paliva a oxidačního činidla, kdy i malé množství CO2 způsobuje znehodnocování elektrolytu (reakcí CO2 s KOH za vzniku K2CO3). CO je stejně jako v případě PEMFC katalytickým jedem.

Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

Tento druh FC pracuje při 150-220°C, přičemž jako elektrolyt používá 100% kyselinu fosforečnou. Při nižších teplotách má H3PO4 horší protonovou vodivost a problém CO jako katalytického jedu pro Pt se stává významnějším. Kyselina fosforečná je stabilnější než ostatní běžné kyseliny, proto je schopná pracovat v širokém rozsahu teplot. Navíc použití 100% kyseliny minimalizuje parciální tlak vodních par, takže udržet správný vodní režim není složité. Matrixem pro zadržení elektrolytu je většinou SiC.

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Elektrolytem je většinou směs alkalických uhličitanů, které jsou zadržovány v matrixu LiAlO2. Provozní teplota je od 500°C do 700°C; v tomto rozmezí tvoří směs uhličitanů vysoce vodivou roztavenou sůl, ve které zprostředkovávají vodivost uhličitanové ionty. Díky vysokým teplotám není nutné používat vzácné kovy pro katalyzátory, využívá se Ni pro anodu a NiO pro katodu.

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Tento typ FC je výjimečný tím, že jeho elektrolyt je pevný, neporézní kovový oxid, používá se Y2O3 stabilizovaný ZrO2. Pracovní teplota je 600-1000°C, přičemž vodivost zprostředkovávají kyslíkové anionty. Materiálem pro anodu je Co-ZrO2 nebo Ni-ZrO2, pro katodu se používá LaMnO3 dopovaný stronciem. Skutečnost, že elektrolyt je pevný, má velký význam pro zjednodušení systému, vyskytují se zde na rozdíl od všech ostatních typů FC pouze dvě fáze, pevná a plynná.

Shrnutí

Palivové články jsou v současnosti technologicky velmi vyspělá a bezpečná zařízení. Jejich komerčnímu rozšíření braní prozatím jejich velmi vysoká cena daná stupněm vývoje, převážně kusovou výrobou a v neposlední řadě cenou použitých materiálů. U nízkoteplotních palivových článku je to především cena flourovaných membrán a platiny, u vysokoteplotních potom cena materiálů schopných odolat vysokým teplotám a korozivnímu prostředí. Cena palivového PEM článku je v současnosti přibližně 200 000 Kč/kW.

Průmyslový palivový článek potřebuje být pro svojí správnou činnost chlazen. Pro zvýšení účinnosti se vzduch obvykle stlačuje v kompresorech.

Životnost palivových článků je u současných produktů garantována na 5 - 20 tis. hodin ( 5000 hodin = automobil - 2 hodiny jízdy denně, 365 dní v roce, 7 let).

Hustota výkonu se u PEM palivového článku pohuybuje těsně nad hranicí 0,1 kW/ l a 0,125 kW/kg.

související články:

Akce aktuální

09 9. 2019
71. Zjazd chemikov

September 9 - 13, 2019, Vysoké Tatry

10 9. 2019
f-cell

September 10 to 11, 2019, Stuttgart, Germany

23 9. 2019

Facebook

členové platformy

ČVUT FS
ÚJV Řež a.s.
VŠCHT Praha
UNITED HYDROGEN, a.s.
Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Unipetrol
Pražská plynárenská, a.s.
Leancat s.r.o.
Český plynárenský svaz (ČPS)
GREEN REMEDY, s.r.o.
DEVINN – Development Innovation
Energy financial group (EFG)
ENVISAN-GEM, a.s.
CHEMINVEST s.r.o.
Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum
Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i
ŠKODA ELECTRIC a.s.
Chart Ferox, a.s.
CYLINDERS HOLDING a.s.
Projekt ČESKÁ VODÍKOVÁ TECHNOLOGICKÁ PLATFORMA 2020 je spolufinancován Evropskou unií

Tento web používá k poskytování služeb a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte.