Typy palivových článků

Typů palivových článků je velký počet a liší se zejména použitým elektrolytem, který také může mít  podobu membrány či keramiky. Dalšími kritérii pro dělení článků může být provozní teplota nebo typ používaného paliva.

Palivový článek s polymerní membránou (PEMFC)

Následující krátký popis se týká „palivového článku s protonovou výměnnou membránou“ (PEMFC) používaného ve vozidlech, který se vyznačuje vysokou hustotou výkonu a dobrou dynamikou.

Tento typ 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). PEM je jedním z nejvyvinutějších a nejběžněji používaných palivových článků.

Při elektrochemické reakci palivový článek přeměňuje chemickou energii uloženou ve vodíku na elektřinu a teplo. K tomu dochází ve vzájemně propojených jednotlivých článcích („zásobník palivových článků“). Střední součástí článku  je membrána potažená platinou, která slouží jako katalyzátor (protonová výměnná membrána, PEM). V buňce je reverzní klasická elektrolytická reakce. Vodík reaguje s kyslíkem ze vzduchu, čímž vytváří kromě elektřiny a tepla jako jediný rekční produkt čistou vodu ve formě vodní páry. Proto se transformace považuje za lokálně bez emisí. Vodní pára jako neškodný reakční produkt je samozřejmě vyloučena.

K výrobě energie vyžadují články provozní teploty 60 až 90 ° C, což vyžaduje jejich zahřívání při spouštění. Je to však jen několik sekund. V důsledku fáze zahřívání a za účelem rychlé změny zatížení v moderních vozidlech s palivovými články je navíc používána baterie, která také uchovává brzdnou energii během rekuperace. Úroveň výkonu takových buněk je asi 50 až 60%.

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 %. (Spalovací motor má účinnost 25 – 30 %.)

Nevýhodou jsou vysoké výrobní náklady palivového článku typu PEM a složitý systém regulace vody. Palivové články obsahují vodík, kyslík a vodu. Když vyschnou musí se přidat voda, aby se systém nastartoval. Příliš mnoho vody způsobuje zaplavení. Palivové články vyžadují vodík vysoké chemické čistoty; palivo nižší kvality může způsobit rozpadání a ucpání membrány. Zkoušení a oprava souboru palivových článků je obtížná, je to dáno tím, že soubor o 150 V vyžaduje 250 článků.

Mrznoucí voda může soubor poškodit. Jako prevence tvorby ledu lze přidat topný prvek. Při chladných teplotách je náběh pomalý a výkon je zpočátku bídný. Přebytečné teplo také může způsobit poškození. Sledování teploty a dodávání kyslíku vyžaduje kompresory, čerpadla a další doplňky, které spotřebovávají okolo 30 % vyrobené energie.

Při provozování polymerního palivového článku v autě má soubor článků typu PEMFC životnost odhadovanou na 2 000 – 4 000 hodin. Zvlhnutí a vysušení, ke kterému dochází při jízdě na krátkou vzdálenost, přispívá k namáhání membrány. Stacionární soubor článků poslouží při nepřetržitém provozu po dobu asi 40 000 hodin. Palivové články nepřestanou fungovat okamžitě, ale jejich výkonnost postupně klesá podobně jako u baterií. Výměna souboru palivových článků představuje velký výdaj.

 

Alkalický palivový článek (AFC)

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. Zatímco separátor pro palivový článek typu PEM stojí mezi 800 až 1 100 dolary na m2, cena za separátor pro alkalický systém je téměř zanedbatelná. (Separátor pro olověný akumulátor stojí 5 $ za m2.) 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. 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. Množství oxidu uhličitého obsaženého v ovzduší znečištěného města může palivové články poškodit, což předurčuje AFC články jen pro specializované využití.

 

Palivový článek s tuhými oxidy (SOFC)

Elektrické přístroje používají tři typy palivových článků, což jsou palivové články s kondenzovanými 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. Nová generace keramických materiálů posunula provozní teplotu jádra dolů k lépe zvládnutelné teplotě 500 - 600°C místo dřívější vysoké provozní teploty 800 - 1000°C. To umožňuje použít pro pomocné díly místo drahé keramiky běžnou nerezovou ocel.

Vysoká teplota umožňuje přímé uvolnění vodíku ze zemního plynu procesem katalytického reformingu. Oxid uhelnatý, znečišťovatel pro PEM, je palivem pro palivové články typu SOFC. Schopnost přijmout palivo na bázi uhlíku bez nutnosti použít zušlechťovací zařízení a vysoká účinnost představují významné výhody tohoto typu palivových článků. Kogenerace pohánějící parní generátory vedlejším produktem v podobě tepla zvyšuje účinnost SOFC na 60 %, to je jedna z nejvyšších účinností mezi palivovými články. Nevýhodou vysoké teploty článků je nutnost použití neobvyklých materiálů, což zvyšuje výrobní náklady a snižuje životnost.

 

Palivový článek pro přímou reakci metanolu (DMFC)

Pozornost si získaly přenosné palivové mikročlánky 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. To umožňuje nepřetržitý provoz bez prostojů. Výrobci připouští, že nahrazení baterií palivovými články je roky vzdálené. Pro překlenutí té doby slouží palivové mikročlánky jako nabíječky umožňující nepřetržitý provoz baterií.

Závěr:

Palivové články jsou v současnosti technologicky velmi vyspělé a bezpečné. Jejich komerčnímu rozšíření braní prozatím jejich velmi vysoká cena daná stupněm vývoje, převážně kusovou výrobou a v neposlední řadě cenou použitých materiálů. U nízkoteplotních palivových článků je to především cena membrán a platiny, u vysokoteplotních potom cena materiálů schopných odolat vysokým teplotám a korozivnímu prostředí. Cena palivového PEM článku je v současnosti vysoká. Životnost palivových článků je u současných produktů garantována na 5 - 20 tisíc hodin (pro předstvau: 5000 hodin je pro automobil na 2 hodiny jízdy denně, 365 dní v roce, 7 let).