Čo je palivový článok?

Palivový článok je elektrochemické zariadenie, ktoré funguje ako opačný elektrolyzér: premieňa chemickú energiu priamo na elektrickú energiu, pričom ako odpad vzniká jedine čistá voda.

Možné využitie palivových článkov:

• v stacionárnych zariadeniach (priemyselných a komerčných budovách)
• v úložných energetických systémoch, založených na obnoviteľnej energii
• v mobilných alebo prenosných zariadeniach

História

Princíp elektrochemického palivového článku objavil v roku 1839 waleský fyzik Sir William Grove, ktorému sa ako prvému podarilo vyrobiť z vodíka a kyslíka jednosmerný prúd pri pokuse o obrátenie procesu elektrolýzy.

V dôsledku nepochopenia významu vynálezu padla téma do zabudnutia a až začiatkom šesťdesiatych rokov 20. storočia bol palivový článok objavený znovu v súvislosti s rozvojom kozmonautiky. Kozmické lode potrebovali ľahšiu náhradu za ťažké batérie, preto boli do vesmírnych lodí Skylab a Apollo zabudované palivové články, ktoré zásobovali palubné prístroje elektrinou a posádku pitnou vodou.

Ako funguje palivový článok?

Stručne povedané: palivové články premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrickú energiu. Odohráva sa opak elektrolýzy.

Článok pozostáva z troch hlavných častí:
anóda (1), katóda (2) a elektrolyt (3).

Srdcom celého zariadenia je elektrolyt, ktorý má membránové vlastnosti, preto prepúšťa z jednej elektródy na druhú iba kladne nabité ióny atómu (protóny), pričom elektróny zadrží. Palivom je vodík a kyslík dodávaný cez katódu. Vodík sa privádza na anódu, kde sa jeho atómy štiepia na protóny a elektróny. Protóny sa na katódu dostanú priamo cez elektrolyt, kým elektróny iba „obchádzkou“ cez elektrický okruh, kde vytvárajú jednosmerný elektrický prúd. Spojením vodíka a kyslíka sa generuje elektrický prúd a teplo. Vedľajším produktom je iba čistá voda.

Palivové články produkujú vysoký prúd (20-100 A/dm2) pri nízkom napätí (0,5 – 0,7 V), preto v praxi býva viac článkov v sériovom zapojení, aby dávali potrebné napätie. Mechanicky i elektricky prepojené články tvoria tzv. zväzky, resp. moduly.

Čo je H₂?

Vodík je jedným základným prvkom prírody. Je to bezfarebná plynná látka bez chuti a zápachu s veľkou schopnosťou difúzie a s vysokým obsahom energie. Samobytne nie, ale v zlúčeninách sa vyskytuje v obrovskom množstve na Zemi, ako napríklad vo vode alebo v uhľovodíkoch. Výhrevnosť vodíka je 119 300 kJ/kg, čo je oveľa viac v porovnaní s benzínom, ktorého výhrevnosť je 44 500 kJ/kg. Vodík sa vyrába s nasledovnými metódami:

• elektrolýzou vodného roztoku
• reformujúcou technológiou z uhľovodíkov
• po vyčistení a reformovaní z bioplynov
• z etanolu a metanolu
• umelou fotosyntézou

Možnosti uskladňovania vodíka

• V kvapalnom stave, chladený v atmosférických, špeciálne tepelne izolovaných nádržiach pri teplote -180°C

• vo veľkoformátových atmosférických skladoch plynu /plynojemoch

• pri vysokom tlaku, v nádržiach alebo fľašiach vhodných na tento účel

• v kovových hydridoch

Typy palivových článkov

Nízko teplotné články

Prevádzková teplota je kritickým parametrom, ktorý určuje možné použitia každého typu palivového článku. Nízko teplotný palivový článok (< 200 °C) má rýchlejší nábehový čas, pevnú konštrukciu a nižšiu hmotnosť oproti vysoko teplotným palivovým článkom. Nízka teplota palivového článku je závislá od drahého katalyzátora (obyčajne je zhotovený z platiny alebo iného drahého kovu), ktorý dosahuje adekvátne reakčné hodnoty, a ako palivo sa využíva čistý vodík.

±

Vysoko teplotné články

Sú oveľa účinnejšie než nízko teplotné palivové články v procese výroby elektrickej energie. Napriek tomu, vysoká teplota palivového článku si vyžaduje relatívne dlhý ohrievací proces, skôr ako vyrobí elektrickú energiu. Nevyžadujú si zmenu vysokej prevádzkovej teploty palivového článku, nakoľko možno zemný plyn nahradiť vodíkom. Poskytujú vysoko teplotné odpadové teplo, ktoré zvyšuje ich účinnosť.

Nízko teplotné články

Vysoko teplotné články

Výhody:

• účinnosť výroby elektrickej energie je vyššia v porovnaní s inou technológiou výroby elektrickej energie

• emisie ako SO2, NOx, CO a CO2 sú extrémne nízke

• palivový článok pracuje nehlučne

• okrem elektrickej energie možno využiť odpadové teplo napr. vo vykurovaní

• palivový článok má výborné dynamické vlastnosti, pracuje spoľahlivo aj pri nižšom výkone a rýchlo sa prispôsobuje zmenám výkonu

• nepotrebujú konvenčné palivá ako nafta a zemný plyn, čo eliminuje ekonomickú závislosť od politicky nestabilných krajín

• vodík je možné produkovať všade, kde je voda a elektrina, teda produkcia takéhoto paliva by mohla byť decentralizovaná

• inštalácie malých stacionárnych zdrojov by viedli ku decentralizácii elektrizačnej siete a jej stabilizácii

• údržba a opravy sú minimálne, lebo neobsahujú žiadne pohyblivé časti

Nevýhody:

• hlavným problémom brániacim ich komercionalizácii je nutnosť vybudovať produkciu, transport a čerpacie stanice vodíka

• dopĺňanie vodíka a štart automobilu s vodíkovým pohonom je dlhší, ako pri spaľovacom motore a ich dojazd je menší

• krátka životnosť palivových článkov (24 000 hodín, necelé tri roky)

• ich cena je stále vysoká z dôvodu použitia drahých materiálov a konštruovania bez pomoci automatických liniek