Palivový článek (angl. Fuel Cell) je elektrochemické zařízení, které přeměňuje chemickou energii v palivu přímo na elektrickou energii, podobně jako je tomu například v baterii. Palivový článek přeměňuje vodík a kyslík na elektřinu, teplo a čistou vodu jako vedlejší produkt; vodík se uchovává v tlakové nádobě a kyslík se odebírá ze vzduchu.
Základní princip a chemická reakce
Palivový článek v podstatě funguje jako elektrolýza naruby, používá dvě elektrody oddělené elektrolytem. Anoda (záporná elektroda) přijímá vodík a ke katodě (kladná elektroda) je přiváděn kyslík. Katalyzátor na anodě rozděluje vodík na kladně nabité vodíkové ionty a elektrony. Protony vodíku se následně přes protonovou výměnnou membránu (PEM) dostávají ke katodě, kde se slučováním s atomy kyslíku mění ve vodu. Elektrony jsou kvůli svému zápornému náboji nuceny jít jinou cestou - protékají externím obvodem, což způsobuje elektrický proud a pohání motor nebo nabíjí baterii.
Základním palivem pro všechny typy palivových článků je vodík. Palivový článek je elektrochemické zařízení, ve kterém sloučením vodíkového paliva s kyslíkem dochází ke vzniku elektřiny, tepla a vody. Vzhledem k tomu, že zde nedochází k procesu spalování, neuvolňují se škodlivé emise a jediným vedlejším produktem je čistá voda.
Struktura článku a role jednotlivých součástí
Palivový článek se skládá z porézních elektrod oddělených elektrolytem. V oblasti pórů elektrod vzniká tzv. třífázové rozhraní - elektroda, elektrolyt a reagenty vzniklé oxidací paliva a redukcí okysličovadla. Funkcí elektrody je vyvolat reakci mezi reaktanty (palivo a okysličovadlo) a elektrolytem, aniž by se sama účastnila reakce nebo korodovala. Musí být též elektrickým vodičem a umožnit kontakt tří fází (plynný vodík a kyslík, kapalný elektrolyt a pevná elektroda).
Pórovitá elektroda umožňuje kapalině vzlínat malými póry, zatímco tlak plynu jí nedovoluje vnikat do větších pórů. Elektrolyt má tendenci vytvořit tenký smáčivý film na vnitřním povrchu elektrody. Reagující plyn, obtížně rozpustný v elektrolytu, může difundovat skrz tento film a dosáhnout povrchu elektrody, kde dochází k reakci kapaliny a plynu.
Katalyzátory a materiály elektrod
Výběr materiálu pro anodu a katodu se může lišit v závislosti na účelu - například anodová elektroda se často vyrábí z platiny, zatímco katoda z niklu. Katalyzátor na anodě rozděluje vodík na kladně nabité vodíkové ionty a elektrony. Palivové články vyžadují vodík vysoké chemické čistoty; palivo nižší kvality může způsobit rozpadání a ucpání membrány.
Typy palivových článků a jejich vlastnosti
Základní princip transformace energie je pro všechny palivové články stejný, jednotlivé typy se však liší materiálem elektrod, použitým elektrolytem a pracovní teplotou i konkrétními chemickými reakcemi na anodě a katodě.
- PEMFC (proton exchange membrane fuel cell): membrána vodivá pro protony používá polymerní elektrolyt. PEM je jedním z nejvyvinutějších a nejběžněji používaných palivových článků. Systém PEM umožňuje kompaktní provedení a dosahuje vysokého poměru vyrobené energie k hmotnosti. Soubor palivových článků funguje při mírné teplotě 80 °C a má účinnost 50 %. Nevýhodou jsou vysoké výrobní náklady a složitý systém regulace vody.
- AFC (alkalický palivový článek): používá alkalický elektrolyt (KOH). Regulace vody je jednoduchá, nevyžaduje kompresory ani další periferní zařízení; účinnost se pohybuje kolem 60 %. Nevýhodou je větší rozměr než PEM a potřeba čistého kyslíku a vodíku.
- DMFC (direct methanol fuel cell): jako palivo používá metanol místo vodíku. Methanol je látka, kterou lze snadněji vyrobit, ale účinnost článku není vysoká (přibližně 26 %). Výhodou je absence stlačeného vodíku a jednoduché doplňování kapalného paliva.
- PAFC (phosphoric acid fuel cell): používá kyselinu fosforečnou, provozní teplota až 200 °C, teoretická účinnost 65 %, prakticky kolem 60 %.
- MCFC (molten carbonate fuel cell): pracuje při teplotě 650 °C, lze použít různé paliva včetně zemního plynu a bioplynu; vhodný pro kogeneraci a velké stacionární aplikace.
- SOFC (solid oxide fuel cell): keramicko-oxidový článek s vnitřní teplotou až 1000 °C; široký rozsah paliv, vysoká účinnost, možnost vnitřního reformingu a použití oxidu uhelnatého jako paliva.
Výhody a omezení palivových článků v automobilech
Palivový článek nabízí řadu výhod, které jsou zvláště důležité pro mobilitu budoucnosti: vysoká hustota energie - vodík dokáže uchovat velké množství energie a je také snadnější jej skladovat; flexibilita - ne všechny aplikace lze pokrýt pouze bateriemi, vodík lze použít jako doplněk; udržitelnost - vodík produkuje pouze vodu jako odpadní produkt.
Zajímavé je také to, že doplňování paliva nevyžaduje výrazně delší dobu ve srovnání s automobilem se spalovacím motorem. Přesto existují zásadní výzvy: suroviny pro palivové články jsou astronomicky drahé, takže samotné vozidlo není cenově konkurenceschopné, a chybějící dobíjecí (plnicí) infrastruktura. Vyřešením posledních dvou nedostatků se automobily s palivovými články stanou pro trh mnohem zajímavějšími.
Provozní vlastnosti a životnost
Obvyklý palivový článek dává v zátěži 0,6-0,8 V. Pro dosažení vyšších napětí se články spojují do sérií (souborů). Při provozování polymerního palivového článku v autě má soubor článků typu PEMFC životnost odhadovanou na 2 000 - 4 000 hodin; stacionární soubor článků poslouží při nepřetržitém provozu po dobu asi 40 000 hodin.
Mezi omezení palivových článků patří pomalý náběh, nízký výkon v krátkodobých špičkách, zdlouhavá reakce na požadavek změny výkonu, nízká odolnost vůči zátěži, malý rozsah výkonu, krátká životnost a vysoké náklady. Vysoký vnitřní odpor způsobuje, že napětí článku s rostoucím zatížením systému rychle klesá. Palivové články nejlépe pracují při asi 30 % zatížení systému.
Praktické aplikace a současné příklady
Palivové články se nepoužívají pouze v automobilovém průmyslu. Ve skutečnosti se tato technologie v různých podobách používá ve vojenském průmyslu, v systémech blokového vytápění v elektrárnách, při výzkumu vesmíru, a dokonce i v mikroelektronice. NASA aktivně využívá palivové články již od 60. let 20. století; praktické použití se datuje od dob programu Apollo.
Ačkoli Chevrolet vyvinul vůz Electrovan již v roce 1966, k sériové výrobě nikdy nedošlo. V Evropě jsou v současné době k dispozici komerční osobní automobily poháněné palivovými články v podobě Toyota Mirai a Hyundai Nexo. Toyota Mirai ve svých zásobnících převáží celkem 5,6 kg paliva a v testech ukázala dojezdovou schopnost kolem 600 km, což dokládá potenciál této technologie. Cestování s automobilem na palivové články nevyžaduje od řidiče nic zvláštního.
Palivové články se rozšiřují i v hromadné dopravě: palivočlánkové autobusy vyrábějí různé společnosti, v některých regionech jsou již provozovány desítky vozidel. Přenosné palivové články a mikročlánky se testují pro laptopy, mobilní zdroje i vojenské aplikace; Toshiba například ukázala prototyp palivového článku pro laptopy s výkonem 20-100 W.
Výroba a zdroje vodíku
Vodík není sám o sobě zdrojem energie, ale je prostředkem pro přenos a ukládání energie; pro jeho výrobu je potřeba jiný zdroj energie. Pro použití u nízkoteplotních typů palivových článků je třeba klasické palivo (např. zemní plyn) nejdříve upravit v předřazeném reforméru, kde dochází k výrobě syntézního plynu obsahujícího vodík. U vysokoteplotních palivových článků dochází v důsledku vysoké provozní teploty k vnitřnímu reformingu paliva.
Vodík lze také získávat elektrolýzou vody, ideálně z obnovitelných zdrojů, což umožňuje ekologicky šetrnou „zelenou“ výrobu vodíku. Nicméně z hlediska výhřevnosti (NCV) je nákladnější vyrobit vodík než benzín a ukládání vodíku představuje technickou výzvu - stlačený vodík vyžaduje robustní tlakové nádoby a výhřevnost vztažená k objemu je podstatně nižší než u kapalných ropných produktů.
Řízení, bezpečnost a provoz v automobilu
Součásti, jako jsou propojovací skříňky, řídicí jednotky motoru a chladicí okruhy, musí dokonale spolupracovat, aby palivový článek dlouhodobě poskytoval optimální výkon. A to se samozřejmě předem důkladně testuje. Tento proces zajišťuje, že vodíkový pohon funguje stabilně i při zatížení - od chemické reakce v palivovém článku až po zrychlení na rovince.
Je důležité, aby kyslík nepronikal do vodíkové smyčky, protože by to mohlo způsobit výbušné prostředí. Aby se tomu zabránilo, vstřikuje se vodík ve větším množství, než je procesně potřeba; přebytečný vodík je pak recirkulován dmychadlem. Suchá komprese a konstrukce bez kontaminujících provozních kapalin minimalizují riziko znečištění vodíku olejem, což by mohlo poškodit palivový článek.
Bezpečnost konstrukce vozidel je rovněž řešena: nádrže jsou robustní a konstrukce vozidla obsahuje zesílené zóny pod prostorem pro cestující; přívod vodíku pomocí speciálních ventilů se v případě nárazu vypne. Automobil pro uživatele tedy nepředstavuje zásadně odlišné riziko než jiné moderní dopravní prostředky.
Historie a perspektivy
Koncepci prvního palivového článku vytvořil v r. 1839 sir William Robert Grove. Praktický rozvoj pokračoval v 20. století a významný milník znamenalo nasazení palivových článků v kosmických programech v 60. letech. V 90. letech 20. století palivové články získaly velkou pozornost a do vývoje se zapojilo mnoho organizací.
Dnes pokračuje vývoj ve zlepšování účinnosti, snižování nákladů a zvyšování životnosti. Jak se palivové články stávají účinnějšími a levnějšími, vyvíjejí se jako přední technologie pro výrobu čisté elektrické energie. Palivové články nahrazují baterie a dieselové agregáty v administrativních budovách a najdou uplatnění i v dopravě, lodní dopravě a stacionárních kogeneračních jednotkách.
Praktické aspekty komercializace
Dva klíčové faktory pro širší rozšíření vodíkových automobilů jsou cenová dostupnost a plnicí infrastruktura. Jakmile budou tyto překážky řešeny, mají automobily s palivovými články značný potenciál stát se konkurenceschopnou alternativou k bateriovým elektromobilům a spalovacím motorům.
| Typ článku | Provozní teplota | Výhoda | Omezení |
|---|---|---|---|
| PEMFC | ~80 °C | Kompaktní, vysoký poměr energie k hmotnosti | Vysoké náklady, regulace vody, citlivost na znečištění |
| AFC | ~40-60 °C | Jednoduchá regulace vody, vyšší účinnost | Nutnost velmi čistého kyslíku, větší rozměry |
| DMFC | 40-120 °C | Metanol místo stlačeného vodíku, jednoduché doplňování | Nízká účinnost |
| SOFC / MCFC | 650-1000 °C | Široké palivové spektrum, vysoká účinnost, vnitřní reforming | Vysoké provozní teploty, materiálové nároky |
Palivové články možná budou jednoho dne pohánět i rolející letadla s elektrickým motorem nebo sloužit jako spolehlivý zdroj energie v budovách; již dnes se uplatňují v autobusové dopravě a stacionárních energetických systémech.
Kdy dávají palivové články smysl?
Palivové články smysl dávají tam, kde je potřeba vysoká hustota energie, rychlé doplnění paliva, dlouhý dojezd a udržitelný provoz bez lokálních emisí. Tam, kde jsou potřeba rychlé doplnění paliva v intenzivním provozu nebo kde nelze kontinuálně nabíjet baterie, mohou palivové články představovat vhodné řešení.
Pro uživatele je cestování s automobilem na palivové články běžné a bezpečné; palivový článek produkuje pouze vodní páru a teplo a nevyžaduje od řidiče žádné zvláštní postupy při provozu. Mnoho společností se zavázalo snížit své emise CO2 a energie z vodíkových palivových článků je považována za ekologicky šetrnou variantu.