Palivový článok

Palivový článok vyrába elektrinu pomocou energie uvoľnenej zmiešaním paliva so vzduchom, pričom pri reakcii vzniká voda a niekedy aj oxid uhličitý. Najbežnejším palivom pre palivové články je vodík, ktorý po reakcii so vzdušným kyslíkom vytvára len vodu. Palivové články fungujú ako batéria, do ktorej sa neustále dodáva palivo, takže sa nikdy nevybije (pokiaľ máte dostatok paliva). Palivové články sú dôležitou súčasťou vodíkového hospodárstva. Molekuly vodíka sa nachádzajú v látkach, ako je metán, voda a biomasa, ale vo všetkých prípadoch je na jeho získanie potrebná určitá energia. Existujú dva bežné spôsoby výroby vodíka - možno ho oddeliť z väčšiny palív, ako je ropa, plyn, uhlie, v procese nazývanom parný reforming, alebo ho možno získať z vody pomocou procesu nazývaného elektrolýza. Pri separácii vodíka z fosílnych palív sa uvoľňuje oxid uhličitý. Ak energia použitá na jeho extrakciu z vody pomocou elektrolýzy pochádza zo slnečnej alebo veternej energie, potom je vyrobený vodík neškodný, pretože sa neuvoľňujú žiadne emisie. Vodík možno oddeliť aj z obnoviteľného bioplynu, čo znamená, že uvoľnený uhlík nie je fosílneho pôvodu, a preto je súčasťou prirodzeného kolobehu uhlíka.

Priamy metanolový palivový článok. Skutočný zásobník palivového článku je vrstvená dvojkubícová štruktúra v strede obrázka

Ako previesť energiu

Voda je molekula, ktorá sa skladá z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka. Na rozdelenie vody na kyslík a vodík je potrebná energia a energia sa uvoľní, keď sa opäť spoja do vody. Palivový článok spája vodík a kyslík tak, že uvoľňuje energiu vo forme elektriny.

Palivo (zdroj energie, zvyčajne vodík) a vzduch (ktorý obsahuje kyslík) sú umiestnené na opačných stranách palivového článku. V strede palivového článku je "clona", nazývaná elektrolyt, umiestnená medzi dvoma kovovými doskami, nazývanými elektródy, ktorá udržiava palivo a vzduch oddelené. Rôzne druhy palivových článkov majú svoje názvy podľa toho, aký typ obrazovky sa používa na oddelenie paliva a vzduchu. Obrazovka umožňuje prechod iba špecifickým nabitým molekulám, známym aj ako ióny.

Aby sa vytvorili ióny, musia sa elektróny preniesť z jednej strany systému na druhú. Elektróny sa oddeľujú od paliva pomocou kovovej dosky na strane paliva a musia sa dostať na stranu vzduchu, aby sa reakcia dokončila. Keďže tienidlo neprepúšťa elektróny, prechádzajú cez samostatný vodič k druhej kovovej platni na strane vzduchu. Cestou elektrónov vzniká elektrický prúd (elektrina). Na drôte sa môže využívať elektrická energia. Drôt sa dá napríklad rozrezať na polovicu a medzi obe polovice sa dá zapojiť žiarovka.

Ióny medzitým prechádzajú cez tienidlo a reagujú s molekulami (ktoré sú už na druhej strane) a elektrónmi (ktoré prešli drôtom a odovzdali energiu na napájanie elektroniky) na druhej strane. Vzniká voda (a v závislosti od typu paliva občas aj iné produkty), ktorá vychádza von cez výfukové potrubie.

Účinnosť

Palivové články vyrábajú elektrickú energiu kombináciou kyslíka a vodíka. Účinnosť je veľmi dobrá (približne 40-70 %). Ich maximálna účinnosť je 83 %, ak sa pri reakcii využíva teplo zo spalín. Palivové články môžu využívať rôzne palivá, napríklad zemný plyn, metanol, LPG (kvapalný ropný plyn), ťažký benzín, petrolej atď.

Funkcie

Niektoré typy palivových článkov produkujú len vodu, čo znamená, že neznečisťujú životné prostredie. Väčšina typov palivových článkov spôsobuje oveľa menej emisií ako klasická ("kalorická") výroba energie. Môžu spotrebúvať rovnaké typy palív ako klasické generátory energie, napríklad dieselové motory, ale sú približne dvakrát účinnejšie, čo znamená, že dokážu vyrobiť rovnaké množstvo energie s polovičným množstvom paliva, a teda minimálne o polovicu menej znečistenia. Okrem toho je pri využívaní palivových článkov s priamou konverziou menšie riziko vzniku sekundárnych emisií, ako sú NOx, SOx a pevné častice, ktoré sú vedľajšími účinkami spaľovania, prispievajú ku globálnemu otepľovaniu a sú známe ako kriteriálne znečisťujúce látky.

Palivové články sú veľmi tiché. Nemajú žiadne pohyblivé časti okrem ventilátorov na pohyb vzduchu a čerpadiel na pohyb vody, čo znamená, že len veľmi zriedkavo vyžadujú opravy, avšak niektoré veľké palivové články používané na napájanie vecí, ako sú budovy, môžu byť dosť krehké.

Vzhľadom na veľmi nízke emisie znečisťujúcich látok sa palivové články často používajú vo vozidlách, ktoré sa pohybujú vo vnútri budov, ako sú napríklad vysokozdvižné vozíky. Keďže sú veľmi tiché, používajú sa v niektorých vojenských ponorkách, aby sa zabránilo ich odhaleniu. Palivo sa využíva efektívnejšie, čo znamená, že palivové články môžu fungovať dlhšie bez toho, aby bolo potrebné zaobstarať nové palivo. Vďaka tomu sa môžu používať na ťažko prístupných miestach, ako sú meteorologické alebo výskumné stanice, vesmírne lode alebo vojenské základne.

Keďže vesmírne lode štartujú pomocou rakiet obsahujúcich čistý vodík a kyslík, elektrina na palube sa vyrába pomocou veľmi účinných palivových článkov, ktoré môžu využívať tieto palivá. Okrem toho palivové články na kozmických lodiach produkujú čistú vodu na svojich výfukových plynoch, ktorá sa môže ďalej zachytávať a používať ako pitná voda pre astronautov, čo znamená, že sa absolútne nič neplytvá.

Typy palivových článkov

Palivové články možno rozdeliť podľa typu vnútorného plášťa (elektrolytu). Napríklad palivové články s kyselinou fosforečnou sú určené pre nízke teploty. Používa sa v mobilných telefónoch a automobilových zdrojoch napájania, ktoré vyžadujú vysoké prúdy, pretože je oveľa bezpečnejší. Alkalické palivové články zvyčajne obsahujú hydroxid draselný (KOH). Metanolové palivové články sa používajú pri elektrochemickej reakcii metanolu. Tento typ palivového článku je lepšou voľbou pre jednoduchšie systémy. Metanolové palivové články však majú nízku výstupnú hustotu, pretože rýchlosť jeho reakcie je pomalá.

Niektoré dôležité typy palivových článkov sú:

Palivový článok na báze kyseliny fosforečnej (PAFC) - Palivové články na báze kyseliny fosforečnej sú dnes komerčne dostupné. Sú to najbežnejšie palivové články na kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie.
Palivový článok s protónovou výmenou (PEM) - Tieto palivové články pracujú pri relatívne nízkych teplotách (približne 175 °F), majú vysokú hustotu výkonu, môžu rýchlo meniť svoj výkon, aby vyhovovali zmenám v dopyte po energii, a sú vhodné na aplikácie, ako napríklad v automobiloch, kde sa vyžaduje rýchle spustenie. Všetky komerčné vozidlá s palivovými článkami používajú tento typ palivových článkov. Nevýhodou týchto palivových článkov je, že vyžadujú vodík vysokej čistoty, ktorého výroba je nákladná.
Palivový článok s roztaveným uhličitanom (MCFC) - tieto palivové články pracujú pri veľmi vysokých teplotách, ktoré umožňujú premenu zložitejších palív, ako je zemný plyn, na vodíkové palivo, ktoré sa využíva v samotnom článku. Ich spustenie a vypnutie trvá niekoľko hodín, takže sa používajú len v aplikáciách, kde môžu byť v prevádzke nepretržite, ako napríklad stacionárne napájanie veľkých budov/podnikov.
Mikrobiálny palivový článok (MFC) - palivový článok, ktorý využíva dýchajúce mikróby na premenu organických substrátov na elektrickú energiu pomocou oxidačno-redukčných reakcií.

Aplikácie

Palivové články majú mnoho možností využitia - najväčší výrobcovia automobilov pracujú na komercializácii automobilov s palivovými článkami. Toyota a Honda vydali modely Mirai a Clarity. Palivové články poháňajú autobusy, lode, vlaky, lietadlá, skútre, vysokozdvižné vozíky a bicykle. Existujú predajné automaty poháňané palivovými článkami, vysávače a diaľničné dopravné značky. Predpokladajú sa miniatúrne palivové články pre mobilné telefóny, prenosné počítače a prenosnú elektroniku. Nemocnice, centrá kreditných kariet, policajné stanice a banky využívajú palivové články na zásobovanie svojich zariadení energiou. Čističky odpadových vôd a skládky odpadov ich používajú na premenu metánu, ktorý produkujú, na elektrickú energiu. Palivové články sa už dlho používajú vo vesmíre. Telekomunikačné spoločnosti používajú palivové články na vežiach mobilných telefónov, rozhlasu a tiesňového volania.

Otázky a odpovede

Otázka: Ako sa v palivovom článku vyrába elektrická energia?

Odpoveď: Palivový článok vyrába elektrinu zmiešaním paliva so vzduchom a vytvorením reakcie, pri ktorej sa uvoľňuje energia, vzniká voda a niekedy aj oxid uhličitý.

Otázka: Aké palivo sa najčastejšie používa v palivových článkoch?

Odpoveď: Najbežnejším palivom používaným v palivových článkoch je vodík.

Otázka: Ako sa palivový článok líši od batérie?

Odpoveď: Palivový článok sa od batérie líši tým, že je neustále zásobovaný palivom, takže sa nikdy nevybije, pokiaľ je k dispozícii dostatok paliva.

Otázka: Čo je to vodíkové hospodárstvo?

Odpoveď: Vodíkové hospodárstvo sa vzťahuje na používanie vodíka ako zdroja paliva s cieľom znížiť závislosť od fosílnych palív.

Otázka: Ako sa vodík vyrába?

Odpoveď: Vodík sa môže vyrábať pomocou procesu nazývaného parný reforming alebo sa môže získavať z vody pomocou procesu nazývaného elektrolýza.

Otázka: Čo sa stane, keď sa vodík oddelí od fosílnych palív?

Odpoveď: Pri oddeľovaní vodíka od fosílnych palív sa uvoľňuje oxid uhličitý.

Otázka: Môže sa vodík vyrábať spôsobom, pri ktorom nevznikajú žiadne škodlivé emisie?

Odpoveď: Áno, ak energia použitá na výrobu vodíka pochádza z obnoviteľných zdrojov, ako je slnečná alebo veterná energia, vyrobený vodík je neškodný, pretože sa neuvoľňujú žiadne emisie. Vodík sa môže oddeliť aj z obnoviteľného bioplynu, čo znamená, že emitovaný uhlík nie je fosílneho pôvodu, a preto je súčasťou prirodzeného kolobehu uhlíka.