PALIVOVÝ ČLÁNOK

ŽANETA KOCHANIKOVÁ1.D

Palivový článok

Palivový článok je spoľahlivým malým energetickým zdrojom, ktorého užívateľ sa stáva nezávislým od dodávateľa elektriny a tepla. Keďže nepotrebuje vonkajšie napojenie, prevádzka palivového článku nezávisí ani od počasia.

Princíp vodíkového PEM palivového článku Molekulárny vodík sa

privádza na anódu PČ, kde sa pôsobením katalyzátora (Pt) rozkladá na dve vodíkové jadrá a dva elektróny. Vodíkové jadrá (protóny) prechádzajú membránou PEM a na katóde sa oxidujú kyslíkom, pričom sa uzatvorí elektrický obvod a záťažou začne pretekať elektrický prúd. Vedľajším produktom je čistá voda.

Typy palivových článkov

V súčasnosti jestvuje niekoľko druhov palivových článkov, ktoré sú pomenované podľa typu v nich používaného elektrolytu:

• AFC palivový článok (alkalický palivový článok). Elektrolytom je roztok hydroxidu draselného (KOH). Má vysokú účinnosť, je však citlivý na nečistoty, napr. CO2. Preto vyžaduje vysokú čistotu kyslíka a vodíka. Z tohto dôvodu sa využíva vo vesmírnom programe a vojenskej technike.

• PEM palivové články (Proton Exchange Membrane), pri ktorých je elektrolytom extrémne tenká vrstva plastu. Vďaka vysokému pomeru - výkon/hmotnosť - sú mimoriadne vhodné na mobilné, ako aj stacionárne použitie. PEM článok je najsľubnejšou technológiou na použitie v ľahkých vozidlách a budovách. Pracuje pri teplote okolo 95°C, má vysokú prúdovú hustotu a dokáže sa prispôsobiť rýchlym zmenám zaťaženia. Je značne citlivý na prívod paliva, s čím súvisia aj vyššie náklady na prípravu paliva. Pretože PEM článok vyžaduje palivo, ktorým je takmer čistý vodík, neprodukuje takmer žiadne emisie.

• PA palivový článok (Phosphoric Acid - kyselina fosforečná), v ktorom je elektrolytom kyselina fosforečná (H3PO4) pri 200°C a táto teplota zaraďuje tento typ palivového článku do skupiny stredne teplotných. Je vhodný predovšetkým na decentralizovanú kombinovanú výrobu elektriny a tepla. Nie je taký citlivý na čistotu plynov ako AFC článok. PA palivové články sa nemusia obmedzovať na čistý vodík ako palivo, tolerujú aj určité znečistenie vodíka oxidom uhličitým (CO2) aj malé množstvo oxidu uhoľnatého (CO). Kvôli týmto miernejším požiadavkám na spracovanie paliva majú PA palivové články komerčné využitie. Ich prevádzka je možná vo väčších budovách, napr. školách, nemocniciach, hoteloch, úradoch. Účinnosť výroby elektriny v PA palivových článkoch je vyššia než 40%. V kogeneračnej výrobe tepla a elektriny je účinnosť PA článku takmer 85%, ak sa teplo vyrobenej pary využije napr. na vykurovanie. Prevádzková teplota PA palivového článku sa pohybuje okolo.

Elektróda v palivovom článku PEM Elektróda pozostáva z dvoch podstatných častí: plynovo

difúznej vrstvy a samotnej elektródy. Elektródu tvorí látka z pórovitého uhlíka s hydrofóbnym povlakom. Na mieste elektrochemickej reakcie musia byť elektródy katalytické. Najlepším katalyzátorom je platina. Platina je aj najlepším katalyzátorom pre obidve reakcie – kyslíkovooxidačné a kyslíkovoredukčné. Podstatným problémom – vzhľadom na jej cenu – je vysoký potrebný obsah platiny (4 mg/cm2). Preto v súčasnosti prebiehajú pokusy o zníženie potrebného množstva platiny (na 0,2 mg/cm2) pri zvýšení výkonu.

Princíp palivového článku V súčasnosti jestvuje niekoľko pilotných projektov, demonštrujúcich využitie

systému s PEM palivovým článkom v decentralizovanej výrobe elektrickej energie zo zemného plynu. Systém obvykle pozostáva z týchto hlavných častí: prípravy plynu, kompresie vzduchu, regenerácie vody, výroby elektriny, prúdového meniča, meracieho a regulačného systému. Prevádzkovým médiom PEM palivového článku je vodík. Zemný plyn, ako zdroj vodíka, je potrebné v reformátori konvertovať na plyn bohatý na vodík.

Pilotné FCPP projekty firmy Alsthom (realizované jej špecializovanou výrobnou

jednotkou v Nemecku) sú prevádzkované na zemný plyn 3). Zariadenie je umiestnené v kontajneri s objemom 42 m3 so zvolenou štandardnou veľkosťou PEM systému 250 kWe. Zemný plyn sa stláča na potrebný prevádzkový tlak, zbavuje sa síry a iných nečistôt. V odparovači sa zemný plyn nasycuje vodnou parou. V reformátori zemný plyn konvertuje na vodík, oxid uhoľnatý a oxid uhličitý.

• Obsah vzniknutého CO sa musí znížiť na úroveň, ktorá zabezpečí spoľahlivú prevádzku polymérovej membrány. Turbodúchadlo stláča vzduch na prevádzkový tlak systému. Vzduch sa potom ochladzuje na 80°C a zvlhčuje pred vstupom do katódovej oblasti článku. Vzniknuté teplo možno využiť na ohrev vody vo výmenníku tepla a následne v systéme centralizovaného zásobovania teplom alebo pri klimatizácii vzduchu. Vzniknutá voda v palivovom článku sa využíva pri reformingu zemného plynu. Nevyužitý vodík sa spaľuje a uvoľnené teplo sa využíva na ohrev pri reformingu a v odparovači vody.

• Všeobecne platí, že na rozdiel od klasickej premeny paliva spaľovaním odpadá pri premene v palivovom článku spaľovanie paliva a prenos tepla inej pracovnej látke zo spalín. Odpadajú tak deje, ktoré prebiehajú so značnou stratou energie. Preto je účinnosť palivových článkov vyššia v porovnaní s klasickým spaľovaním paliva a pohybuje sa v rozmedzí 40 - 55%. Spotreba paliva v palivovom článku vplyvom vyššej účinnosti je nižšia. Pri elektrochemickej reakcii sa uvoľňuje značné množstvo tepla, ktoré je možné tiež využiť, čím podstatne stúpne termická účinnosť premeny.

William Robert Grove

Koncepciu prvného PČ vytvoril v r. 1839 britský vedec a vynálezca sir William Robert Grove, ktorý zistil, že procesom inverzným k elektrolýze vody možno vyrábať elektrickú energiu. Tento právnik, sudca a vedec sa narodil v Spojenom kráľovstve v roku 1811.

Zhrnutie Palivové články, hlavne PEM články, sa stávajú ekologickým energetickým

zdrojom. Palivový článok poskytuje výhody: • účinnosť výroby elektrickej energie je vyššia v porovnaní s akoukoľvek inou

technológiou výroby elektrickej energie,• emisie škodlivín, ako SO2, NOx a CO sú extrémne nízke,• emisie CO2 sú nižšie vďaka dosahovanej účinnosti energetickej premeny v článku,• palivový článok pracuje nehlučne a bez mechanického opotrebovania,• okrem elektrickej energie možno využiť odpadové teplo napr. vo vykurovaní,• palivový článok má výborné dynamické vlastnosti, pracuje spoľahlivo aj pri nižšom výkone a rýchlo sa prispôsobuje zmenám výkonu.

Využitím palivového článku, ako lokálneho zdroja kombinovanej výroby elektriny a tepla, nevznikajú straty súvisiace s rozvodom elektriny a tepla. Sľubným je využitie aj v mobilných aplikáciách (pohon automobilov). Nevýhodou širšieho použitia palivových článkov v súčasnosti sú vysoké náklady na ich výrobu a vysoká cena, čo sťažuje široké komerčné využívanie. Sú však sľubným decentralizovaným zdrojom energie blízkej budúcnosti.

Zoznam použitej literatúry

• http://www.etrend.sk/auto/auto-novinky/ako-pracuje-palivovy-clanok/29470.html

• http://www.atpjournal.sk/casopisy/atp_07/pdf/online61.pdf

• http://www.greenprojekt.sk/vodikovepc.html• http://static.itnews.sk/buxus_dev/images/200

6/free0606_palivo_Palivovy_clanok_b.jpg• http://static.itnews.sk/buxus_dev/images/200

6/free0606_palivo_SOFC_SingleCells_b.jpg• http://www.pcrevue.sk/buxus_dev/generate_

page.php?page_id=42947

Ďakujem za pozornosť!

• Kontakt: kochanikova8d@gjar-po.sk