Elektrické napájení z palivových článků

 

Pro elektrická zařízení, která jsou používána mimo dosah rozvodné sítě, se jako zdroj elektrické energie osvědčily palivové články. Díky nim je možné ekonomicky provozovat mj. bezpečnostně-technická řešení.

 

Palivové články považuje mnoho současníků za nositele energie budoucnosti. Tato myšlenka však není nikterak nová. Již před 171 lety popsal Angličan William Grove (obr. 1) princip funkce „galvanické plynové baterie“ jako inverzi elektrolýzy. Od té doby zkoumalo mnoho firem možnost využití tohoto principu v každodenní praxi. Některé z projektů však nedospěly ani ke stadiu prototypu.

 

V dalším textu jsou popsána řešení zásobování elektrickou energií na principu palivových článků pro externí elektrická zařízení.

Po dlouhou dobu byl u palivových článků za klasického nositele energie považován výlučně plynný vodík (H₂). Takzvané vodíko-vzduchové články představují konstrukčně nejstarší typ palivových článků, které navzdory nesmírnému pokroku ve výzkumu i značným investicím dosud nedozrály do stadia komerčního výrobkového řešení. Důvodem je neřešitelný problém v zásobování vodíkem, tj. nemožnost skladovat a distribuovat velká množství plynného vodíku nebo s nimi manipulovat při nízkých cenách.

 

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell, palivový článek s přímým metanolem) je typ palivového článku, jehož soustava je na rozdíl od vodíkových palivových článků poháněna tekutým alkoholem – metanolem (obr. 2). Metanol slučuje mnoho výhod, jako je např. disponibilita, snadná manipulace, velká energetická a skladovací hustota, nízké náklady za surovinu, snadné a bezpečné skladování a distribuování. 5 l metanolu má při hmotnosti 4,3 kg kapacitu 4,1 kW·h, resp. 380/720 A·h při napětí 12/24 V. To odpovídá hustotě energie asi 900 W·h/l, resp. 1 100 W·h/kg. Těmito vlastnostmi toto médium daleko předčí klasický olověný akumulátor, který má hustotu energie 30 W·h/kg.

 

Pro účely zásobování palivovými články DMFC je po celé Evropě vybudována infrastruktura. Metanol je distribuován (např. německou firmou SFC Smart Fuel Cell AG z Mnichova) v objemech po 5, 10 nebo 28 l v palivových lahvích (metanolových bombách), které mají osvědčení TÜV a jsou testovány na bezpečnost.

 

Při provozu palivových článků (obr. 3) je metanol nasáván z metanolové bomby, dále je samočinně směšován s vodou a přiváděn k „srdci“ palivového článku na anodové straně. Na katalyzátoru anodové strany metanol oxiduje s vodou. Přitom se uvolňuje oxid uhličitý v množství, které odpovídá přibližně vydýchanému vzduchu dítěte. Vznikající protony prostupují membránou na stranu anody. Tato membrána je pro elektrony nepropustná, a tak se elektrony dostávají nuceným proudovým okruhem na stranu katody. Při tomto procesu vzniká elektrický proud. Do „srdce“ článku je z katodové strany přiváděn vzduchovým čerpadlem kyslík z okolního vzduchu. Chemickou reakcí protonů a elektronů se vzdušným kyslíkem vzniká vodní pára, která může být bez dalších úprav odváděna do okolí, neboť při této reakci nevznikají žádné škodlivé látky.

Palivové články DMFC se v současné době ve velké míře uplatňují v různých zařízeních, která lze rozdělit do tří kategorií:

Jde o záložní napájecí agregáty a agregáty pomocného proudu, vysílací a přijímací stanice umístěné mimo rozvodnou síť, video- a audiosystémy v polních podmínkách, jakož i zařízení pro sledování dopravy, měřicí stanice a signální zařízení.

Do této kategorie patří zejména rekreační využívání palivových článků jako zdroje elektrické energie. Jde např. o zásobování elektrických spotřebičů elektřinou na palubě cestovních automobilů, plachetnic a v rekreačních či horských boudách, jakož i o pohon lehkých elektromobilů, dodávkových kol, malých městských dopravních vozítek, vozíků pro tělesně postižené osoby či golfových vozíků.

Zde jde především o napájení laptopů a satelitních telefonů, nejrůznější nabíječky či výstražná

světla nebo osvětlovací systémy.

Palivové články DMFC jsou používány pro napájení soustav v kombinaci s jinými zařízeními na výrobu elektrické energie. Tento hybridní provoz poskytuje dodatečnou jistotu dodávky a má smysluplné použití v různých konfiguracích.

Jsou-li palivové články zapojeny spolu s klasickou baterií, spojuje v sobě tento hybridní provoz dobré vlastnosti obou těchto prvků. Zatímco baterie jako akumulátor energie dodává proud podle potřeby a může krýt i proudové špičky, palivové články  jako zařízení na výrobu elektrické energie dobíjejí průběžně baterii, takže se nikdy zcela nevybije. Tento provozní režim prodlužuje navíc i životnost baterie, neboť se při něm zamezuje jejímu škodlivému hlubokému vybíjení. V hybridním provozu je palivový článek přímo spřažen s baterií a integrovaný regulátor nabíjení přitom nepřetržitě sleduje stav nabití baterie. Klesne-li nabití pod určitou přednastavenou hodnotu, dojde k automatickému spuštění palivového článku a ten začne baterii dobíjet. Je-li nastavena určitá hodnota dobití, dojde k přepnutí palivového článku zpět do pohotovostního režimu. Tento proces probíhá zcela samočinně a bez jakéhokoliv zásahu uživatele.

Palivový článek může být rovněž spřažen se solárním zařízením (obr. 4). Tato varianta se používá v mnoha terénních zařízeních vzdálených od rozvodné sítě, u kterých je třeba zajistit stoprocentní pohotovost dodávky. Svítí-li slunce, dobíjí solární zařízení baterii a palivový článek je v pohotovostním režimu. Vypadne-li solární zařízení z důvodu špatného počasí nebo tmy, dojde ke spuštění palivového článku, který převezme dobíjení baterie. U baterie dobíjené solárním zařízením nelze zaručit celoroční spolehlivý provoz z důvodu špatného počasí nebo v zimním období. Aby bylo možné zajistit spolehlivý roční trvalý výkon 1 W, bylo by třeba v Evropě instalovat zařízení o výkonu 40 W. Kromě toho solární zařízení není možné instalovat skrytě, a tak se často stává, že je někdo ukradne. Použití palivového článku v tomto hybridu umožňuje dimenzovat fotovoltaické zařízení menší, a tím i cenově výhodněji. Palivově-fotovoltaický hybrid řeší tedy největší problém provozu zařízení, která leží mimo dosah rozvodné sítě.

 

Palivové láhve je možné měnit při provozu. Palivový článek lze připojit na rozhraní RS-232 a obsluhovat ho prostřednictvím počítače nebo laptopu. Provozovatel má v dálkovém režimu přes WLAN nebo modul GSM možnost přístupu na palivový článek, k hlášení (např. hlášení o prázdné palivové láhvi lze zasílat elektronickou poštou nebo jako SMS) apod. Změny konfigurace a odstraňování závad lze realizovat prostřednictvím internetového vyhledávače.

 

Provozní rozsah teplot palivového článku firmy SFC je –20 až +40 °C. Přístroj je pro venkovní provoz vybaven automatikou s ochranou proti mrazu – ta je samočinně spuštěna při poklesu teploty pod 0 °C a chrání přístroj před zamrznutím. Palivové články jsou dodávány s výkony 25, 50 a 65 W.