Realizace zdrojů s palivovými články v praxi

Realizace zdrojů s palivovými články v praxi

1. Úvod

Historicky první palivový článek, tzv. galvanickou plynovou baterii, sestavil již v roce 1839 anglický právník a fyzik sir William Robert Grove. Využití takovýchto článků v praxi se však dlouho jevilo jako nereálné.

Intenzivní výzkum začal až v polovině minulého století, kdy se hledaly nové zdroje elektrické energie pro kosmonautiku. Okolo roku 1970 se dokonce optimisticky předpovídalo, že do roku 2000 se uskuteční masová výroba palivových článků pro elektromobily. Podle současných odhadů se předpokládá, že po roce 2005 se začnou v osobních i nákladních automobilech postupně nahrazovat spalovací motory elektrickými motory napájenými z palivových článků. Po mnoha experimentálních zařízeních se první realizace palivových článků v praxi objevily až v posledních několika letech.

Palivové články představují rovněž velký ekologický přínos, emise škodlivin je téměř zanedbatelná, jak plyne z tohoto srovnání:

• moderní uhelná elektrárna produkuje asi 820 g/kW·h oxidu uhličitého (CO₂), 600 mg/kW·h oxidu siřičitého (SO₂) a 600 mg/kW·h oxidů dusíku (NO_x);
• elektrárna na zemní plyn produkuje asi 380 g/kW·h CO₂, 340 mg/kW·h SO₂ a 75 mg/kW·h NO_x;
• elektrárna s palivovými články na zemní plyn produkuje asi 310 g/kW·h CO₂, emise SO₂ i NO_x jsou téměř zanedbatelné.

2. Princip činnosti

Princip činnosti lze dobře pochopit u palivového článku, kde se jako palivo používá vodík (H) a jako okysličovací látka kyslík (O₂). Podle obr. 1 tvoří článek palivová elektroda (anoda), kladná elektroda (katoda) a elektrolyt (kyselina fosforečná – HPO₃). Přiváděné palivo (H) na anodě za přispění katalyzátoru oxiduje. Přitom se uvolňují elektrony, které jako elektrický proud protékají zátěží ke katodě. Kladné ionty paliva (H+) putují elektrolytem od anody ke katodě. Na katodu se přivádí okysličovadlo (O₂), vznikají chemické reakce a vzniká voda nebo vodní pára (H₂O).

Produktem spalování vodíku je elektrický proud mezi elektrodami a dále teplo a voda.

Jak prosté a jak ekologické! Ale jak nesnadno uskutečnitelné!

Mnoho špičkových badatelských pracovišť a mnoho firemních výzkumných laboratoří na tomto problému již intenzivně pracuje desítky let.

Palivo v článku může být obecně plynné (např. vodík – obr. 2), kapalné (např. metanol) nebo tuhé (např. sodík). Okysličovadlo může být také plynné, ale i kapalné a tuhé. Jako okysličovadlo se však většinou používá obyčejný vzduch, který, jak víme, obsahuje více než 20 % kyslíku.

Pozn. autora: Kolik kyslíku nyní obsahuje vzduch v centru Plzně, nevím, proč ekologové blokují dálniční obchvat Plzně, také nevím.

Palivová elektroda musí být vytvořena jemně porézní matricí s velkým aktivním povrchem, aby mohl nastat intenzivní styk paliva, katalyzátoru a elektrolytu. Záporná elektroda je od kladné oddělena separátorem, který propouští pouze určité ionty.

3. Realizace

3.1 Elektromobily
V roce 1997 byl představen výzkumný model dodávkového elektromobilu NECAR III firmy Daimler-Benz s palivovým článkem s tuhým elektrolytem firmy Bellard. Palivem tohoto článku je vodík, uskladněný ve dvou tlakových kontejnerech při tlaku 2,5 MPa. Hmotnost kontejnerů je 80 kg, obsah 280 l. Výkon článku je 50 kW, hmotnost 300 kg, hustota výkonu 166 W·kg–1. Nejvyšší rychlost elektromobilu je 110 km·h–1, dojezd v rovinatém terénu na jednu náplň 250 km.

Novější verze NECAR IV z roku 1999 má maximální rychlost 145 km·h–1, dojezd 450 km.

3.2 Stacionární zdroje
V USA jsou již několik let v provozu kogenerační elektrárny s výkony 200 kW_el i více, které jako zdroj používají palivové články s kyselinou fosforečnou (obr. 3). Jejich cena je však relativně vysoká, přibližně 2 500 až 3 000 USD/kW.

V Japonsku je v provozu kogenerační elektrárna podobného typu s elektrickým výkonem 11 MW, jiná, s výkonem „pouhých“ 200 kW, je v Ashai (obr. 4).

V roce 1993 byl v Ženevě ve Švýcarsku uskutečněn zkušební provoz kogenerační elektrárny s palivovým článkem PC25A firmy ONSI (Connecticut, USA). Palivem článků řady PC25 je vodík, elektrolytem je kyselina fosforečná (HPO³). Zkušební provoz trval 40 000 hodin, tj. asi 4,5 roku.

Švýcarské město Birsfelden potřebovalo v roce 1999 vybudovat novou kogenerační elektrárnu. Po dohodě s prováděcí firmou AEB (Alternativ Energie Birsfelden AG), konzultačním střediskem Thoma & Renz (Basel) objednalo kogenerační zdroj s palivovými články. Poradenské firmy vypracovaly podrobné ekonomické porovnání. Náklady na klasickou kogenerační elektrárnu se spalovacím motorem byly odhadnuty na 350 000 CHF, náklady na elektrárnu s palivovými články na 1 mil. CHF. Město ale dostalo státní subvenci 300 000 CHF a rozhodlo se být pionýrem v aplikaci zdrojů, které neprodukují téměř žádné škodlivé emise. V březnu roku 2000 byl v Birsfeldenu uveden do provozu komerční model elektrárny s palivovými články PC25C, který má elektrický výkon 200 kW_el, tepelný 220 kW_th a účinnost asi 80 %.

Model PC25C je v uzavřeném skříňovém venkovním provedení (nevyžaduje tedy žádnou budovu) ovládán dálkově, s venkovním vzduchovým chladičem, kde se návratná chladicí voda ochlazuje ze 45 °C na 35 °C. Vodík (H₂) se získává v parním reformeru ze zemního plynu, který obsahuje více než 90 % metanu (CH₄), chemickým procesem při teplotě 800 °C. Molekula metanu má na jeden atom uhlíku čtyři atomy vodíku, výtěžnost je tedy velmi dobrá.

Vodík se přivádí na katodu palivového článku, kde za působení katalyzátoru se rozdělí atom vodíku na elektron a kladný ion (proton). Kladné ionty vodíku putují elektrolytem (HPO₃) ke katodě, elektrony vnějším obvodem přes zátěž ke katodě jako elektrický proud. Na katodě, ke které se přivádí kyslík, popř. vzduch., nastává chemická reakce a vzniká vodní pára o teplotě asi 800 °C. Jako vedlejší produkt odcházejí do ovzduší v podstatě v neškodné koncentraci oxidy dusíku (NOx – 2,8 mg·m^–3) a oxid uhelnatý (CO2 – 2,7 mg·m^–3).

Napětí jednoho palivového článku je 0,66 V, hustota energie 10 A·dm². U modelu PC25C je v sérii zapojeno 280 článků. Stejnosměrný proud tohoto zdroje se v měniči převádí na střídavý s frekvencí 50 Hz a napětí 400 V a dodává se do místní sítě. Pro připojení k síti s vyšším napětím musí být použit přídavný transformátor.

4. Závěr

Elektromobily s palivovými články se během několika let začnou prosazovat a budou velkým ekologickým přínosem pro životní prostředí.

Stejně důležitým přínosem jsou i kogenerační elektrárny s palivovými články. Nejsou to sice alternativní zdroje elektrické energie, ale produkce škodlivých emisí je téměř zanedbatelná, a mohou se tedy budovat přímo v centru spotřeby.

Zdrojem energie pro palivové články kogeneračních elektráren je zemní plyn, ze kterého se získává vodík. Jistě i čtenáře napadlo, že již za života Faradaye byl znám rozklad vody v Hofmanově přístroji na kyslík a vodík. Bylo by tedy možné získávat vodík třeba z mořské vody? Jak prosté, ale jak nesnadno uskutečnitelné. Dalším postupným cílem by tedy mohlo být vyvinout generátor vodíku na principu elektrolýzy vody s přijatelnou účinností.