Vodíkový Generátor: Stacionární Zdroj Znečišťování Ovzduší a Emise

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.

Vodík, nejjednodušší chemický prvek (tvoří jej jeden proton a jeden elektron), je v přírodě hojně zastoupen a jako palivo je výjimečně čistý. Vodík tvoří téměř 90 % vesmíru a je třetím nejčetnějším prvkem na zemském povrchu. Taková hojnost paliva by poskytla téměř neomezenou zásobu čisté energie za relativně nízkých nákladů.

Princip Fungování Palivového Článku

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 (souborů).

V přeměně uhlíkového paliva na energii je technologie palivových článků dvakrát účinnější než proces spalování.

Čtěte také: Vodíkový pohon a emise

Výroba a Ukládání Vodíku

Vodík je většinou vázán s jinými látkami a k „uvolnění“ plynu je potřeba energie. Z hlediska výhřevnosti (NCV) 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, jakým je třeba metanol, propan, butan nebo zemní plyn. 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.

Typy Palivových Článků

Membrána vodivá pro protony známá jako „proton exchange membrane“, zkráceně 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 %.

Palivový článek s alkalickým elektrolytem se stal upřednostňovanou technologií v oblasti letectví a kosmonautiky, včetně raketoplánů. 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. Kogenerace pohánějící parní generátory vedlejším produktem v podobě tepla zvyšuje účinnost SOFC na 60 %, to je jedna z nejvyšších účinností mezi palivovými články.

Čtěte také: Vodíkový pohon a životní prostředí

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.

Problémy a Omezení Palivových Článků

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. Vysoký vnitřní odpor způsobuje, že napětí článku s rostoucím zatížením systému rychle klesá.

Palivové články do 1 kW nejsou obvykle pod tlakem a k vhánění kyslíku používají pouze ventilátor. Palivové články nad 1 kW jsou pod tlakem a obsahují kompresor, který snižuje účinnost a také zvyšuje hlučnost systému. Relativně velký vnitřní odpor palivových článků představuje další výzvu. Každý článek ze souboru dává naprázdno asi 1 V; při vysokém zatížení dochází ke znatelnému poklesu napětí.

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.

Současný Vývoj a Aplikace

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.

Čtěte také: Rizika spojená s ozonovými generátory

Výrobci připouští, že nahrazení baterií palivovými články je roky vzdálené. 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.

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.

Tabulka použití palivových článků

tags: #vodíkový #generátor #stacionární #zdroj #znečišťování #ovzduší

Oblíbené příspěvky:

• Volná místa v granulaci
• Zajímavosti ze světa přírody
• Historický vývoj české krajiny
• Dopady chovu zvířat v ekologickém zemědělství
• Hnízdění jiřiček