Palivové články – princip funkce a dělení

Palivový článek je zařízení sloužící k přímé přeměně chemické energie na energii elektrickou. Na první pohled by se mohlo zdát, že princip jeho funkce, založený na elektrochemické reakci, je podobný běžným bateriím či akumulátorům, je tomu však jinak.

Pro svou funkci potřebuje běžný palivový článek kontinuální přívod paliva, které v článku reaguje s oxidačním činidlem a za vzniku různých sloučenin, v závislosti na typu použitého článku a paliva, dochází k produkci elektrické energie.

Ačkoliv první experimenty s palivovými články se datují až do první poloviny 19. století, větší pozornosti se tato technologie dočkala zejména až v druhé polovině století minulého. Širšího využití se palivové články zatím nedočkaly, avšak v posledních letech se objevují nové potencionální možnosti jejich využití.

Konstrukce a princip palivového článku

Každý palivový článek je tvořen třemi hlavními komponenty – anodou, katodou a elektrolytem či membránou. Nejběžnějšími a nejstaršími typy palivových článků jsou vodíkové.

Na anodu článku je přivedeno palivo, například právě vodík, který díky katalytické příměsi na povrchu anody (nejčastěji platině) disociuje na kladné ionty (protony) a elektrony. Membrána či elektrolyt, jež odděluje anodu od katody, umožňuje průchod pouze kladně nabitým protonům, přičemž volné elektrony prochází oddělenou cestou (elektrickým obvodem) a jsou příčinou vzniku elektrického proudu. Posledním krokem je sloučení protonů a elektronů s oxidačním činidlem na katodě za vzniku odpadních látek, v případě vodíkového článku je výsledným produktem chemické reakce voda.

Účinnost reakce samotné, která stojí za produkcí elektrické energie, se pohybuje v rozmezí 40 až 60 procent. V případě použití palivových článků v režimu kombinované výroby elektřiny a tepla se účinnost může vyšplhat až na procent 90, podobně jako u běžných kogeneračních jednotek.

Vodíku je stále málo

Kromě vyšší pořizovací ceny palivových článků samotných ve srovnání s konvenčními zdroji energie je jejich největší nevýhodou neekonomičnost jejich provozu. Nejběžněji užívaným palivem pro jejich provoz je vodík, který se v přírodě běžně samostatně nevyskytuje.

Nejčastěji bývá vodík extrahován ze zemního plynu, méně častěji pak elektrolytickým způsobem z vody. Oba procesy jsou energeticky náročné, a proto tedy výroba vodíku pro jeho následné využití v palivovém článku není ekonomicky výhodná.

Jistou pomocnou rukou mohou být pro výrobu vodíku obnovitelné zdroje energie, které svou často nadbytečnou produkcí generují nadbytek elektrické energie v síti, která může být využita právě pro účely výroby vodíku. Takovéto zařízení bylo uvedeno do provozu na počátku letošního července v německé Mohuči a svou výrobou by mělo pokrýt potřeby až 2000 vozidel s palivovými články.

Technologii akumulace energie do vodíku testují i v pražském ÚJV Řež, kdy získané palivo může sloužit i pro pohon vodíkem poháněného autobusu TriHyBus, který byl vyvinut právě ve spolupráci s tamními odborníky.

Další z nevýhod vodíku je jeho vysoká výbušnost a problémy s netěsností tlakových nádob vzhledem k malým rozměrům částic plynu.

Typy palivových článků

Typů palivových článků je řada, přičemž se rozlišují zejména v závislosti na používaném elektrolytu, který může mít i podobu membrány či keramiky. Dalšími kritérii pro dělení článků může být provozní teplota nebo typ používaného paliva.

Alkalický palivový článek (AFC)

Alkalický palivový článek je vzhledem ke své konstrukci jedním z nejjednodušších. Jak již z názvu vyplývá, ke své funkci používá elektrolyt tvořený alkalickými kovy – nejčastěji hydroxidem sodným či draselným a to v různé koncentraci, mimo jiné v závislosti na provozní teplotě.

Hlavní výhodou je možnost využití různých levnějších katalyzátorů oproti drahé platině. Jeho největším nedostatkem je však náchylnost ke znečištění elektrolytu oxidem uhličitým, proto musí být čistota použitého paliva (vodíku) a oxidantu (kyslíku) velmi vysoká.

Tento typ článku našel využití zejména v kosmickém programu Spojených států a to pro napájení lodí Appolo a následně i raketoplánů.

Palivové články s polymerní membránou (PEMFC)

Jeden ze základních typů palivových článků využívá k oddělení anody od katody polymerní membránu. V současnosti je tento typ článku na základě jeho funkce také nazýván Proton Exchange Membrane Fuel Cells, ačkoliv jeho zkrácené nazvání PEMFC vychází z původního názvu Polymer electrolyte membrane (PEM).

Jelikož článek pro oddělení protonů od elektronů využívá polymerní membránu, odpadají problémy s možnou korozí vyvolanou elektrolytem, jedinou kapalinou vyskytující se v článku je voda. Pro udržení správné funkce článku však musí být membrána udržována vlhká, musí být tedy udržována rovnováha mezi vodou vznikající při reakci a jejím odvodem či odparem z membrány.

Nejčastěji používaným palivem pro tento druh článku je vodík, použit může být například i metanol.

Využití nalezl v širokém okruhu aplikací od záložních zdrojů elektrické energie, menších zdrojů pro lokální výrobu elektřiny až po dopravní sektor pro pohon osobních automobilů či autobusů a jiných vozidel.

Aplikace palivových článků

Palivové články své využití nalezly zejména v lokální výrobě elektrické energie (či tepla v případě kogenerace). Výkony modulů tvořených jednotlivými články se pohybují obvykle v řádu desítek či stovek kW.

Zřejmě nejdiskutovanější oblastí jejich využití je dopravní sektor. Přestože v současné době nejsou produkovány žádné vodíkem poháněné automobily ve významnějším množství, je 21. století jejich rozvoji nakloněno. V posledních letech přichází výrobci osobních automobilů stále s novými modely. Podobně jako u dalších vozidel s alternativními pohony však jejich většímu rozšíření brání velmi omezený počet plnících stanic.

S rozvojem popularity mobilních zařízení, jakými jsou telefony, tablety či další zařízení, se technologii palivových článků otevřela nová cesta. Vzhledem k výrazně vyšší energetické hustotě, tedy poměru uložené energie k hmotnosti, vůči běžně užívaným akumulátorům mohou palivové články poskytnout dostatek elektrické energie právě pro mobilní zařízení při delších cestách. Jedním ze zástupců této kategorie je i článek kraftwerk výrobce eZelleron, který má jako palivo pro výrobu elektrické energie využívat i běžný plyn do zapalovače.

Zdroj úvodní fotografie: Maurizio Pesce