Svět se více než kdy jindy zaměřuje na snižování emisí skleníkových plynů a hledá alternativy ke konvenční výrobě energie.
V ideálním případě jsou nejen čistší, ale také účinnější.
Palivové články vyrábějí elektrický proud elektrochemickým procesem, což znamená, že nespalují palivo jako běžné spalovací motory.
Díky tomu nevytvářejí škodlivé emise, jako jsou skleníkové plyny nebo látky znečišťující ovzduší.
Společnost Busch Vacuum Solutions rozhodujícím způsobem přispěla k efektivnímu využívání této trvale udržitelné technologie uvedením prvního dmychadla s recirkulací vodíku s certifikátem TÜV: MINK MH 0018 A.
Existuje několik typů palivových článků, které používají různé typy zdrojů paliva, včetně vodíku, zemního plynu a biopaliv.
Díky této všestrannosti jsou cenné při nejrůznějším použití.
Používají se k pohonu motorů v elektrických vozidlech a k poskytování elektřiny na velkých lodích.
Vozidlo má nádrž, která je doplněna zdrojem paliva, obvykle vodíkem.
Vodík je přiváděn do palivového článku, kde reaguje s kyslíkem ze vzduchu a vytváří vodu a teplo.
Motor je poháněn elektřinou vyrobenou touto reakcí.
Na rozdíl od vozidla se spalovacím motorem však elektromobily s vodíkovými palivovými články vydávají jako vedlejší produkty pouze vodní páru a teplo.
Technologie vodíkových palivových článků
V palivovém článku se vodík a kyslík kombinují k výrobě elektřiny s vodou a teplem jako vedlejšími produkty.
Vodíkový palivový článek se skládá ze dvou elektrod, anody a katody.
Od sebe je odděluje membrána, která umožňuje přepravu iontů z anody do katody.
Tlakový vodík (H2) je dodáván na straně anody a kyslík (O2) na straně katody.
Vodík reaguje s katalyzátorem, obvykle vyrobeným z platiny, a ztrácí své elektrony.
Ionty jsou tak pozitivně nabity a mohou projít protonovou výměnnou membránou (PEM) a následně reagovat s kyslíkem na straně katody.
Elektrony jsou kvůli svému zápornému náboji nuceny jít jinou cestou.
Protékají externím obvodem, což způsobuje elektrický proud a pohání motor a nabíjí baterii, pokud je přítomna.
Je důležité, aby kyslík nepronikal do vodíkové smyčky, protože by mohl způsobit výbušné prostředí.
Aby se tomu zabránilo, vstřikuje se vodík ve větším množství, než je pro proces potřeba.
Přebytečný vodík je proto dmychadlem s recirkulací vodíku přiváděn zpět do systému.
S našimi MINK MH 0018 A nabízíme první dmychadlo pro recirkulaci vodíku pro vodíkové palivové články s certifikací TÜV.
Dmychadla MINK MH jsou ideálním řešením pro různé procesy, ve kterých dochází k recirkulaci vodíku.
Od mobilních aplikací v automobilovém, železničním, námořním a leteckém průmyslu až po stacionární moduly palivových článků pro výrobu energie.
Dmychadlo pracuje na osvědčeném zubovém principu, který společnost Busch uvedla na trh v roce 1990.
Suchá komprese znamená, že v kompresní komoře nejsou potřeba žádné provozní kapaliny.
Tím se vyloučí možnost kontaminace vodíku olejem.
Kromě toho se žádné pohyblivé části dmychadla vzájemně nedotýkají.
Pixabay License.
9. 5. Ve vodíkových palivových článcích se v současnosti jako katalyzátor používá především platina, eventuálně jiné drahé kovy.
Existují sice i tzv. Platina funguje jako katalyzátor pro obě reakce v článku (tj. oxidaci vodíku i redukci kyslíku) a dobře snáší zde panující kyselé prostředí.
Héctor D. Abruña z Cornell University a jeho kolegové při snaze obejít se bez platiny museli vyřešit dva hlavní problémy: účinnost/rychlost samotné oxidace vodíku a trvanlivost článku, tj. K překonání těchto problémů výzkumníci navrhli katalyzátor na bázi niklu, pokrytého ultratenkou (2 nm) vrstvou uhlíku dopovaného dusíkem.
Takto funguje anoda, kde se oxiduje vodík.
Katoda, kde dochází k redukci kyslíku, je z kobaltu a manganu (možnost dalšího zvýšení účinnosti redukce kyslíku nabízí využití nitridu kobaltu).
Samotná niklová elektroda by v důsledku tvorby oxidů niklu rychle ztrácela účinnost, uhlíkový (grafenový) povlak dopovaný dusíkem ji ale chrání a udržuje potřebnou rychlost reakce/výkon článku.
Elektroda je pak také mechanicky stabilnější a navíc mnohem odolnější vůči oxidu uhelnatému, který dokáže rychle otrávit platinový katalyzátor.
Yunfei Gao et al, A completely precious metal-free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022).
Černé díry při výraznější interakci s okolím začnou „zvonit“ (vibrovat) v charakteristickém vzoru, tzv.
Pokroková technologie od Toyoty je postavena na staletém postupu reverzní elektrolýzy vody.
vzduchu.
membrány.
reagují s anionty kyslíku.
proud potřebný k pohonu vozidla.
vodíku.
Protony vodíku se slučováním s atomy kyslíku mění ve vodu.
Vodíkové automobily na rozdíl od hybridů nepoužívají spalovací motor.
podlahou vozidla.
Toyota Mirai ve svých zásobnících převáží celkem 5,6 kg paliva.
testech Euro NCAP.
ovlivňujících ochranu uživatelů silnic přinesly ovoce v podobě 5 hvězdiček.
odolají i přímému zásahu střelnou zbraní.
zóny a pod prostorem pro cestující, kde je konstrukce vozidla ještě zesílena.
přívod vodíku pomocí speciálních ventilů vypne.
Cestování s automobilem na palivové články nevyžaduje od řidiče nic zvláštního.
Ano.
jakéhokoli rizika.
Vodík je vysoce energetické palivo, které lze vyrábět s nulovými dopady na životní prostředí.
stanicích značky Benzina, a to v Praze na Barrandově a v Litvínově.
Výzkumníci z Královské univerzity v Londýně vyvinuli vodíkový palivový článek, který využívá železo namísto vzácné a drahé platiny.
Zařízení je schopné provozu za vysokého zatížení jako součást palivového článku.
Výsledky zveřejnil odborný časopis Nature Catalysis.
Palivové články k urychlení reakce, při níž vzniká elektřina, požívají dosud katalyzátor s obsahem drahé a vzácné platiny.
Evropský tým vedený výzkumníky z Královské univerzity v Londýně nyní vytvořil katalyzátor složený pouze ze železa, uhlíku a dusíku, tedy levných a snadno dostupných materiálů.
Vodíkové palivové články proměňují vodík na elektřinu, přičemž jediným vedlejším produktem je čistá voda, proto jsou zajímavým ekologickým zdrojem k pohonu vozidel.
„Naše levnější konstrukce katalyzátoru by měla umožnit implementaci dalších systémů obnovitelné energie s využitím vodíkového paliva.
Dnes přibližně 60 % ceny palivového článku tvoří platina obsažená v katalyzátoru.
„S naší levnější konstrukcí katalyzátoru by to měla být reálná implementace mnohem většího počtu systémů obnovitelné energie využívajících vodíkové palivo, což v konečném důsledku znamená snížení emisí skleníkových plynů a nastoupení celého světa na cestu nulových celkových emisí,“ dodává Kucernak.
Inovací týmu je návrh katalyzátoru s rozptýlenými atomy železa v elektricky vodivé základní hmotě z uhlíku.
Železo ve formě jednotlivých atomů má odlišné chemické vlastnosti než masivní železo, kde jsou všechny atomy seskupeny dohromady, a vykazuje tak vyšší reaktivitu.
Díky těmto vlastnostem dokáže železo urychlit nezbytné reakce v palivovém článku, a vystupuje tak jako vhodná náhrada za platinu.
V rámci laboratorních zkoušek tým prokázal, že katalyzátor obsahující jednotlivé atomy železa ve spojení s reálným palivovým článkem vykazuje vlastnosti blížící se katalyzátoru s obsahem platiny.
Nově vyvinutá technologie umožňuje nejen výrobu levnějších katalyzátorů pro palivové články, ale po úpravách by mohla posloužit i pro jiné katalyzátory v dalších procesech, např. při chemických reakcích využívajících vzdušný kyslík jako reaktant namísto drahých chemických oxidačních činidel, resp. při úpravách odpadních vod s využitím vzduchu k odstraňování škodlivých znečišťujících látek.
„Vyvinuli jsme nový přístup s využitím jednoatomových katalyzátorů podporujících řadu nových chemických a elektrochemických procesů.
Konkrétně jsme využili novou metodu syntézy, označovanou jako transmetalace, která zamezuje tvorbě shluků železa během syntézy.
Tento postup by mohl pomoci všem vědcům, kteří by chtěli připravit podobný typ katalyzátoru,“ říká Asad Mehmood z katedry chemie na Královské univerzitě v Londýně.
Vodík už začaly využívat jako nový pohon i největší automobilky.
Toyota nedávno uvedla na trh druhou generaci auta na vodík, model Mirai.
V Česku se zatím prodalo deset kusů.
Solid oxide fuel cells use a solid oxide electrolyte to conduct negative oxygen ions from the fuel cell cathode to the anode.
Fuel cell devices are often composed of multiple fuel cells connected in series to form a stack, which increases the total amount of generated electricity.
Each individual fuel cell contains three primary components: two electrodes: two electrodes (anode and cathode) and a conductive electrolyte.
In the case of PEM fuel cells, each electrode is comprised of a porous, high-surface area material impregnated with an electrocatalyst, typically platinum or a platinum alloy.
For fuel cells operating on pure H2, hydrogen gas is split into protons and electrons at the anode.
The protons are conducted through the electrolyte membrane, and the electrons flow around the membrane, generating an electrical current.
Platinum exhibits high activity for hydrogen oxidation and continues to be a frequently used electrocatalyst material.
One major area of fuel cell research has been the reduction in platinum content without a concurrent decrease in cell performance, giving rise to an overall increase in cost effectiveness for the device.
This is achievable through the use of engineered catalysts fabricated from platinum nanoparticles supported on conductive carbon.
Pt-containing alloys are useful for devices operating on specialized fuel sources, such as methanol or reformate.
Pt/Ru alloys, for example, have shown increased performance relative to pure Pt electrocatalysts with respect to methanol oxidation and carbon monoxide poisoning.
Pt3Co is another catalyst of interest and has demonstrated enhanced performance for the oxygen reduction reaction as well as high stability.
Vulcan XC72 is a mesoporous carbon black, used as a catalyst support.
Several key requirements are considered when selecting a fuel cell electrolyte.
Desirable properties include high proton conductivity, high chemical and thermal stability, and low gas permeability.
Aquivion D79-25BS is a perfluorosulfonic acid ionomer dispersion used in the fabrication of PEM separator membranes.
Related Resources Article: Materials for Thin Film Solid Oxide Fuel Cells.
Palivový článek je topný systém, který využívá funkční princip kombinované výroby tepla a elektřiny.
To znamená, že vyrábí jak elektřinu, tak teplo.
Pro tuto výrobu energie a tepla potřebuje palivový článek kyslík a vodík.
Ten se nejprve získává ze zemního plynu a poté se přeměňuje nebo reformuje v samotném palivovém článku.
Palivový článek je jako topné zařízení mnohokrát vyzkoušený a spolehlivě fungující.
Jen v Japonsku bylo od roku 2009 prodáno různými výrobci již více než 123 000 kusů pro stacionární aplikace.
Palivové články však poskytují energii také pro pohon vozidel a lodí a pro zásobování elektrickou energií v leteckém průmyslu.
K dalším oblastem použití patří mobilní telefony, řízení dopravy, bezpečnost a dohled, větrná energie a telekomunikace.
Kromě toho se palivové články vyskytují i v oblasti volného času pro zásobování energií.
Palivový článek je elektrochemické zařízení, ve kterém sloučením vodíkového paliva s kyslíkem dochází ke vzniku elektřiny, tepla a vody.
Vodík se uchovává v tlakové nádobě a kyslík se odebírá ze vzduchu.
Vzhledem k tomu, že zde nedochází k procesu spalování, neuvolňují se škodlivé emise a jediným vedlejším produktem je čistá voda.
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.
Kyslík je ionizovaný a migruje elektrolytem k anodické části, kde se slučuje s vodíkem.
Obvyklý palivový článek dává v zátěži 0,6 - 0,8 V.
Pro dosažení vyšších napětí se články spojují do sérií.
Obrázek 1: Princip palivového článku.
Anoda (záporná elektroda) přijímá vodík a ke katodě (kladná elektroda) je přiváděn kyslík.
V přeměně uhlíkového paliva na energii je technologie palivových článků dvakrát účinnější než proces spalování.
Vodík, nejjednodušší chemický prvek, je v přírodě hojně zastoupen a jako palivo je výjimečně čistý.
Vodík tvoří téměř 90 % vesmíru a je třetím nejčastějším prvkem na zemském povrchu.
Taková hojnost paliva by poskytla téměř neomezenou zásobu čisté energie za relativně nízkých nákladů.
Vodík je většinou vázán s jinými látkami a k „uvolnění“ plynu je potřeba energie.
Z hlediska výhřevnosti je nákladnější vyrobit vodík než benzín.
Ukládání vodíku představuje další nevýhodu.
Stlačený vodík vyžaduje těžké ocelové nádrže a výhřevnost vztažená k objemu je přibližně 24krát nižší než u kapalných ropných produktů.
Vodík lze také vyrobit procesem extrakce ze stávajícího paliva.
Přeměna fosilního paliva na čistý vodík je doprovázena uvolněním zbylého uhlíku, ale tato reakce uvolňuje výrazně méně škodlivin než spalovací motory.
Zařízení pro takové zušlechtění paliva by ale zvýšilo hmotnost vozidla a zvýšilo jeho cenu.
Tato zařízení jsou navíc pomalá.
Membrána vodivá pro protony známá jako PEM používá polymerní elektrolyt.
PEM je jedním z nejvyvinutějších a nejběžněji používaných palivových článků.
Pohání auta, slouží jako přenosný zdroj energie a jako záložní zdroj místo stacionárních baterií v kancelářích.
Systém PEM umožňuje kompaktní provedení a dosahuje vysokého poměru vyrobené energie k hmotnosti.
Další výhodou je relativně rychlý náběh při použití vodíku.
Soubor palivových článků funguje při mírné teplotě 80°C a má účinnost 50 %.
Nevýhodou jsou vysoké výrobní náklady palivového článku typu PEM a složitý systém regulace vody.
Palivové články obsahují vodík, kyslík a vodu.
Když jsou suché, voda se musí přidat, aby se systém nastartoval.
Příliš mnoho vody způsobuje zaplavení.
Palivové články vyžadují vodík vysoké chemické čistoty; palivo nižší kvality může způsobit rozpadání a ucpání membrány.
Při chladných teplotách je náběh pomalý a výkon je zpočátku bídný.
Přebytečné teplo také může způsobit poškození.
Při provozování polymerního palivového článku v autě má soubor článků typu PEMFC životnost odhadovanou na 2 000 - 4 000 hodin.
Zvlhnutí a vysušení přispívá k namáhání membrány.
Stacionární soubor článků poslouží při nepřetržitém provozu po dobu asi 40 000 hodin.
Palivové články nepřestanou fungovat okamžitě, ale jejich výkon postupně klesá podobně jako u baterií.
Palivový článek s alkalickým elektrolytem se stal upřednostňovanou technologií v oblasti letectví a kosmonautiky.
Výrobní a provozní náklady jsou nízké, zejména při použití souboru palivových článků.
Regulace vody je jednoduchá, nevyžaduje kompresory ani další periferní zařízení; účinnost se pohybuje kolem 60 %.
Nevýhodou je, že palivový článek typu AFC má větší rozměry než článek typu PEM a jako palivo potřebuje čistý kyslík a vodík.
Elektrické přístroje používají tři typy palivových článků, což jsou palivové články s tavenými uhličitany, kyselinou fosforečnou a tuhými oxidy.
Z těchto tří typů je palivový článek s tuhými oxidy nejméně vyvinutý, ale nově si získal pozornost díky pokrokům v oblasti materiálu článku a v uspořádání souboru článků.
Vysoká teplota umožňuje přímé uvolnění vodíku ze zemního plynu procesem katalytického reformingu.
Oxid uhelnatý, znečišťovatel pro PEM, je palivem pro palivové články typu SOFC.
Schopnost přijmout palivo na bázi uhlíku bez nutnosti použít zušlechťovací zařízení a vysoká účinnost představují významné výhody tohoto typu palivových článků.
Kogenerace pohánějící parní generátory vedlejším produktem v podobě tepla zvyšuje účinnost SOFC na 60 %, to je jedna z nejvyšších účinností mezi palivovými články.
Pozornost si získaly přenosné palivové články a nejslibněji se vyvíjí palivový článek pro přímou reakci metanolu (direct methanol fuel cell).
Tato malá jednotka není drahá na výrobu, je praktická a nepotřebuje stlačený vodíkový plyn.
DMFC článek má dobré elektrochemické vlastnosti a doplňování se provádí vstříknutím kapaliny nebo výměnou zásobníku s náplní.
Obrázek 2: Palivový mikročlánek.
Prototyp tohoto palivového mikročlánku je schopný dodat 300 mW nepřetržité energie.
Obrázek 3: Palivový článek Toshiba s doplňovacím zásobníkem.
Výrobci připouštějí, že nahrazení baterií palivovými články je roky vzdálené.
Obrázek č. 2 ukazuje palivový mikročlánek od Toshiby a obrázek č.
Stále dochází ke zlepšením, Toshiba uvedla prototyp palivového článku pro laptopy a podobná zařízení, který generuje 20 až 100 wattů.
Jednotky jsou kompaktní a měrná hustota energie je porovnatelná s NiCd bateriemi.
Obrázek 4: Přenosný palivový článek pro běžné spotřebitele.
Palivový článek převádí vodík a kyslík na elektřinu a jako jediný vedlejší produkt vzniká čistá voda.
Lze jej používat i v uzavřených prostorách jako generátor elektřiny.
Probíhají pokusy s malými palivovými články poháněnými vodíkem.
Výhodou čistého vodíku oproti metanolu je jeho vyšší účinnost a menší velikost.
Tyto miniaturní systémy nemají žádná čerpadla a ventilátory a jsou úplně tiché.
Náplň o objemu 21 cm3 má poskytnout stejné množství energie jako asi 10 alkalických bateriích typu AA s délkou provozu 20 hodin, než musí být doplněno palivo.
Armáda a amatérští uživatelé také experimentují s miniaturními palivovými články.
Obrázek 4 znázorňuje přenosný palivový článek od SFC Smart Fuel Cell.
Následující tabulka popisuje použití obvyklých palivových článků a shrnuje jejich výhody a omezení.
P.č. Alkalický p.č. P.č. pro DMFC a další typy.
Pro přenosné, mobilní i stacionární použití.
40 - 60°C; účinnost 20 %.
Kompaktní; běží na metanol; žádný kompresor.
Uspořádání p.č. Mezi omezení palivových článků patří pomalý náběh, nízký výkon, zdlouhavá reakce na požadavek změny výkonu, nízká odolnost vůči zátěži, malý rozsah výkonu, krátká životnost a vysoké náklady.
Podobně jako u baterií se i u palivových článků jejich výkon časem snižuje a soubor článků postupně ztrácí účinnost.
Obrázek 5: Rozsah výkonu přenosného palivového článku.
Palivové články nejlépe pracují při 30 % zatížení systému.
Vyšší zatížení snižuje účinnost systému.
Toto a také špatná odezva regulátoru předurčují palivový článek k použití jako podpůrné zařízení nebo jako nabíječku udržující baterie v nabitém stavu.
Palivové články si užily velké popularity v 90. letech.
Říkalo se, že palivové články změní svět tak jako mikroprocesor v 70. letech.
Měli bychom k dispozici čistý a nevyčerpatelný zdroj energie, který by vyřešil obavy o životní prostředí v souvislosti se spalováním fosilních paliv.
Mezi lety 1999 až 2001 se do vývoje palivových článků aktivně zapojilo více než 2000 organizací.
A čtyři firmy z největších výrobců palivových článků v Severní Americe uvolnily obchodovatelné akcie v hodnotě přes miliardu amerických dolarů.
Vodík není sám o sobě zdrojem energie, ale je prostředkem pro přenos a ukládání energie podobně jako elektřina, která nabíjí baterii.
Pro dosažení vize „spalování nekonečného množství vodíku“ musí být toto palivo nejdříve vyrobeno, protože vodík nelze jednoduše čerpat ze země jako třeba ropa.
K výrobě vodíku se hodí fosilní paliva, ale použití těchto cenných paliv k získání čistého vodíku nedává smysl, když náklady na takový proces jsou stejné nebo vyšší, než kdyby byly rovnou spáleny.
Stejně jako v polovině 19. století padly pokusy pohánět letadla párou, je možné, že palivové články se nikdy nestanou zdrojem energie, v který vědci doufali.
Ale je zde obnovený zájem v automobilovém průmyslu v Japonsku.
Palivové články nahrazují baterie a dieselové agregáty v administrativních budovách, protože je lze instalovat v malých prostorách, s minimální údržbou a bez nutnosti odvětrání.
Palivové články možná budou jednoho dne pohánět rolující letadla s elektrickým motorem pro pohon kol.
Snížilo by se znečištění a ušetřily až 4 % paliva, protože by nemusely běžet proudové motory.
Voda vyrobená z palivových článků během nabíjení baterií by mohla sloužit jako pitná voda na palubě; regenerativní brzdění by mohlo dále pomoct s nabíjením baterií a superkapacitorů pro rychlé nabíjení.
tags: #vodikovy #clanek #katalyzator