Palivový článek

Palivový článek vyrábí elektřinu pomocí energie uvolněné smícháním paliva se vzduchem, při které vzniká voda a někdy také oxid uhličitý. Nejběžnějším palivem pro palivové články je vodík, který při reakci se vzdušným kyslíkem vytváří pouze vodu. Palivové články fungují jako baterie, do které se neustále dodává palivo, takže se nikdy nevybije (pokud máte dostatek paliva). Palivové články jsou důležitou součástí vodíkového hospodářství. Molekuly vodíku se nacházejí v látkách, jako je metan, voda a biomasa, ale ve všech případech je k jeho získání zapotřebí určitá energie. Existují dva běžné způsoby výroby vodíku - lze jej oddělit z většiny paliv, jako je ropa, plyn, uhlí, v procesu zvaném parní reforming, nebo jej lze získat z vody pomocí procesu zvaného elektrolýza. Při oddělování vodíku z fosilních paliv se uvolňuje oxid uhličitý. Pokud energie použitá k jeho extrakci z vody pomocí elektrolýzy pochází ze slunce nebo větru, pak je vyrobený vodík neškodný, protože se neuvolňují žádné emise. Vodík lze také oddělit z obnovitelného bioplynu, což znamená, že uvolněný uhlík není fosilního původu, a je tedy součástí přirozeného koloběhu uhlíku.

Přímý metanolový palivový článek. Skutečný palivový článek je vrstvená dvoukrychlová struktura uprostřed obrázku.

Jak převádět energii

Voda je molekula složená z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. K rozdělení vody na kyslík a vodík je zapotřebí energie, která se uvolní, když se opět spojí ve vodu. Palivový článek spojuje vodík a kyslík zpět dohromady tak, že uvolňuje energii ve formě elektřiny.

Palivo (zdroj energie, obvykle vodík) a vzduch (který obsahuje kyslík) jsou umístěny na opačných stranách palivového článku. Uprostřed palivového článku je mezi dvěma kovovými deskami, tzv. elektrodami, umístěno "stínění", které udržuje palivo a vzduch oddělené. Různé druhy palivových článků dostávají své názvy podle toho, jaký typ stínění se používá k oddělení paliva a vzduchu. Stínění propouští pouze specifické nabité molekuly, známé také jako ionty.

Aby se vytvořily ionty, musí se elektrony přenést z jedné strany systému na druhou. Elektrony jsou odděleny od paliva kovovou deskou na straně paliva a musí se dostat na stranu vzduchu, aby se reakce dokončila. Protože stínění nepropouští elektrony, procházejí samostatným vodičem k druhé kovové desce na straně vzduchu. Cestou elektronů vzniká elektrický proud (elektřina). Drát je místem, kde lze elektřinu využít. Drát lze například rozříznout na polovinu a mezi obě poloviny zapojit žárovku.

Mezitím ionty procházejí stíněním a reagují s molekulami (již na druhé straně) a elektrony (které prošly drátem a odevzdávají energii pro napájení elektroniky) na druhé straně. Vzniká voda (a v závislosti na typu paliva občas i další produkty), která vychází výfukovým potrubím.

Efektivita

Palivové články vyrábějí elektřinu spojením kyslíku a vodíku. Účinnost je velmi dobrá (asi 40-70 %). Mají maximální účinnost 83 %, pokud se při reakci využívá teplo ze spalin. Palivové články mohou také využívat různá paliva, například zemní plyn, metanol, LPG (zkapalněný ropný plyn), naftu, petrolej atd.

Funkce

Některé typy palivových článků produkují pouze vodu, což znamená, že neznečišťují životní prostředí. Většina typů palivových článků způsobuje mnohem méně emisí než klasická ("kalorická") výroba energie. Mohou spotřebovávat stejné typy paliv jako klasické generátory energie, například dieselové motory, ale jsou přibližně dvakrát účinnější, což znamená, že mohou vyrobit stejné množství energie s polovičním množstvím paliva, a tedy nejméně o polovinu méně znečištění. Kromě toho je u palivových článků využívajících přímou konverzi menší riziko vzniku sekundárních emisí, jako jsou NOx, SOx a pevné částice, které jsou vedlejšími účinky spalování, přispívají ke globálnímu oteplování a jsou známé jako kriteriální znečišťující látky.

Palivové články jsou velmi tiché. Nemají žádné pohyblivé části kromě ventilátorů pro pohyb vzduchu a čerpadel pro pohyb vody, což znamená, že je velmi zřídka potřeba je opravovat, avšak některé velké palivové články používané pro napájení například budov mohou být poměrně křehké.

Vzhledem k velmi nízkým emisím škodlivin se palivové články často používají ve vozidlech, která se pohybují uvnitř budov, jako jsou vysokozdvižné vozíky. Protože jsou velmi tiché, používají se na některých vojenských ponorkách, aby nebyly odhaleny. Palivo je využíváno efektivněji, což znamená, že palivové články mohou pracovat déle, aniž by bylo nutné pořizovat nové palivo. Díky tomu je lze používat na těžko přístupných místech, jako jsou meteorologické nebo výzkumné stanice, vesmírné lodě nebo vojenské základny.

Protože kosmické lodě startují pomocí raket obsahujících čistý vodík a kyslík, vyrábí se elektřina na palubě pomocí velmi účinných palivových článků, které mohou tato paliva využívat. Palivové články na kosmických lodích navíc produkují čistou vodu, která může být dále zachycována a používána jako pitná voda pro astronauty, což znamená, že se vůbec nic neplýtvá.

Typy palivových článků

Palivové články lze rozdělit podle typu vnitřního stínění (elektrolytu). Například palivové články s kyselinou fosforečnou jsou určeny pro nízké teploty. Používá se v mobilních telefonech a automobilových zdrojích, které vyžadují vysoké proudy, protože je mnohem bezpečnější. Alkalické palivové články obvykle obsahují hydroxid draselný (KOH). Metanolové palivové články se používají při elektrochemické reakci metanolu. Tento typ palivového článku je lepší volbou pro jednodušší systém. Metanolové palivové články však mají nízkou výstupní hustotu, protože jeho reakční rychlost je pomalá.

Mezi důležité typy palivových článků patří:

Palivový článek na bázi kyseliny fosforečné (PAFC) - Palivové články na bázi kyseliny fosforečné jsou dnes komerčně dostupné. Jsou to nejběžnější palivové články pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny.
Palivový článek s protonovou výměnou (PEM) - Tyto palivové články pracují při relativně nízkých teplotách (asi 175 °C), mají vysokou hustotu výkonu, mohou rychle měnit svůj výkon podle změn v poptávce po energii a jsou vhodné pro aplikace, jako jsou automobily, kde je vyžadován rychlý start. Tento typ palivových článků používají všechna komerční vozidla s palivovými články. Nevýhodou těchto palivových článků je, že vyžadují vysoce čistý vodík, jehož výroba je nákladná.
Palivový článek s roztaveným uhličitanem (MCFC) - tyto palivové články pracují při velmi vysokých teplotách, které umožňují přeměnit složitější paliva, jako je zemní plyn, na vodíkové palivo, které se využívá v samotném článku. Jejich spuštění a vypnutí trvá několik hodin, takže se používají pouze v aplikacích, kde mohou běžet nepřetržitě, jako je stacionární napájení velkých budov/podniků.
Mikrobiální palivový článek (MFC) - palivový článek, který využívá dýchající mikroby k přeměně organických substrátů na elektrickou energii pomocí oxidačně-redukčních reakcí.

Aplikace

Palivové články mají mnoho využití - velké automobilky pracují na komerčním využití automobilů s palivovými články. Toyota uvedla na trh model Mirai a Honda model Clarity. Palivové články pohánějí autobusy, lodě, vlaky, letadla, skútry, vysokozdvižné vozíky a jízdní kola. Existují prodejní automaty poháněné palivovými články, vysavače a dálniční dopravní značky. Předpokládají se miniaturní palivové články pro mobilní telefony, přenosné počítače a přenosnou elektroniku. Nemocnice, střediska kreditních karet, policejní stanice a banky využívají palivové články k napájení svých zařízení. Čistírny odpadních vod a skládky je používají k přeměně metanu, který produkují, na elektřinu. Palivové články se již dlouho používají ve vesmíru. Telekomunikační společnosti používají palivové články na věžích mobilních telefonů, rádií a tísňových linek.

Otázky a odpovědi

Otázka: Jak se v palivovém článku vyrábí elektřina?

Odpověď: Palivový článek vyrábí elektřinu smícháním paliva se vzduchem a vznikem reakce, při které se uvolňuje energie, vzniká voda a někdy i oxid uhličitý.

Otázka: Jaké palivo se nejčastěji používá v palivových článcích?

Odpověď: Nejběžnějším palivem používaným v palivových článcích je vodík.

Otázka: Jak se palivový článek liší od baterie?

Odpověď: Palivový článek se od baterie liší tím, že je neustále zásobován palivem, takže se nikdy nevybije, pokud je k dispozici dostatek paliva.

Otázka: Co je to vodíková ekonomika?

Odpověď: Vodíkové hospodářství znamená využívání vodíku jako zdroje paliva s cílem snížit závislost na fosilních palivech.

Otázka: Jak se vodík vyrábí?

Odpověď: Vodík lze vyrábět procesem zvaným parní reforming nebo extrahovat z vody procesem zvaným elektrolýza.

Otázka: Co se stane, když se vodík oddělí od fosilních paliv?

Odpověď: Při oddělování vodíku od fosilních paliv se uvolňuje oxid uhličitý.

Otázka: Lze vodík vyrábět způsobem, při kterém nevznikají žádné škodlivé emise?

Odpověď: Ano, pokud energie použitá k výrobě vodíku pochází z obnovitelných zdrojů, jako je slunce nebo vítr, je vyrobený vodík neškodný, protože se neuvolňují žádné emise. Vodík lze také oddělit z obnovitelného bioplynu, což znamená, že emitovaný uhlík není fosilního původu, a je tedy součástí přirozeného koloběhu uhlíku.