Palivové články pro byty a rodinné domy – princip funkce

V palivovém článku (PČ) dochází k řízené oxidaci paliva. Přitom vznikají energeticky výhodnější chemické vazby a uvolňuje se energie. PČ realizuje oxidaci ve dvou následných dějích na elektrodách. Vazebné elektrony přecházejí do výhodnějších poloh v nových molekulách "oklikou" vnějším vodičem přes elektrický spotřebič. Takto je převedeno až ze 70 % uvolněné energie na elektřinu, zbytek je teplo.

V podstatě jde o děj, který je inverzní k elektrolýze. První palivový článek na světě sestrojil Švýcar Christian Friedrich Schönbein už v roce 1838. Důvodem, proč palivový článek vůbec funguje, je skutečnost, že chemické vazby v molekulách realizují elektrony, tedy elektricky záporně nabité částice. Tytéž, které vedou elektrický proud.

Při chemických reakcích se elektrony, kterým se říká vazebné (valenční) a které váží atomy do molekul, přeskupí do nových molekul. Nás zajímají reakce, které uvolňují teplo, což říká, že "pobyt" v nových molekulách je pro vazebné elektrony výhodnější. A proto energii odevzdávají. Naším cílem je, aby valenční elektrony neodevzdaly přebytky energie jen ve formě tepla do reakční směsi. Chceme, aby doputovaly do "klidnějších vod" nových molekul oklikou přes elektrické zařízení a v něm odevzdaly přebytek energie. To zajistí palivový článek.

Princip

Ukažme si to na příkladu vodíkového palivového článku s elektrolytem, jímž je vodný roztok hydroxidu draselným, KOH. Palivem je vodík H₂ a oxidovadlem kyslík O₂. Vodík při hoření na vodu H₂O uvolňuje obrovské teplo, což potřebujeme. Na jednu z elektrod, která je vytvořena z porézního, elektricky vodivého materiálu, přivádíme vodík. Ten spontánně reaguje s hydroxylovými ionty elektrolytu za vzniku vody, tepla a elektrické energie:

4 OH^– + 2 H₂ → 4 H₂O + 4 e^–

Podstatné je, že vzniklé elektrony nemohou samy putovat elektrolytem k protilehlé elektrodě s kyslíkem. Leda by zreagovaly s vodou na vodík a ionty OH^–, jenže z tohoto stavu právě utekly, byl energeticky nevýhodný.

Nevýhodná je i redukce kationtů K⁺ uvolněnými elektrony. Vzniká draslík, který ihned reaguje s vodou za vzniku vodíku a iontů K⁺–. A jsme na začátku, který je energeticky nevýhodný. Nesnazší cestou je doputovat k protilehlé elektrodě "objížďkou" přes elektrický spotřebič, kde odevzdá část své "přebytečné energie" (volný elektron je stav s vysokým elektrickým potenciálem). Na elektrodě vstoupí do spontánní reakce s kyslíkem:

4 e^– + 2 H₂O + O₂ → 4 OH^–

Tím s kruh uzavírá. Ze dvou molekul vodíku a jedné kyslíku vzniknou dvě molekuly vody, jako při hoření. Z jednoho litru vzniklé vody se uvolní 4,4 kWh energie a z toho – v palivovém článku – až 70 %, tj. přes 3 kWh, ve formě elektrické energie. Zbytek je teplo, které využijeme k ohřevu vody nebo k vytápění. Je to obrácený poměr, než když vodík necháme shořet a vzniklé teplo přeměníme v elektřinu v tepelné elektrárně.

Je očividné, že se v PČ – na záporné, vodíkové elektrodě – hromadí voda, která elektrolyt ředí a kterou musíme odčerpávat. Polovina zde vzniklé vody ale není přebytečná, nýbrž chybí na kladné kyslíkové elektrodě. A proto k ní postupuje difúzí (díky koncentračnímu spádu neboli chemickému potenciálu).

Na kladné, kyslíkové elektrodě zase vzniká přebytek zásaditých aniontů OH^–. Tyto anionty – hnané koncentračním, čili chemickým potenciálem – putují difúzí k záporné, vodíkové elektrodě, kde jich je naopak nedostatek.

Výhody palivových článků

Palivový článek dokáže 70 procent energie, která by se jinak uvolnila prostým hořením, převést na elektřinu. Kdybychom palivo nechali normálně hořet, vyrobili páru a poháněli turbínu, dosáhli bychom účinnosti jen asi 35 %.

Jako palivo se používá vodík, vodík připravený parním reformováním uhlovodíků, zemní plyn, bioplyn, metanol a mnoho dalších, včetně mletého uhlí. Oxidační činidlo je kyslík nebo vzduch. Záleží na typu palivového článku.

Je zřejmé, že široké nasazení palivových článků je způsob, jak velmi efektivně, zejména v domácnostech, vyrábět zároveň elektřinu a teplo. Energetická účinnost je pak cca 85 procent.

Uhlovodíkové palivové články

Pro energetickou náročnost výroby vodíku a potíže s jeho skladováním se jako palivo v PČ používají uhlovodíky. Vodík se z nich musí uvolnit reformovacím procesem, který spočívá v působení horké páry. Některé vysokoteplotní palivové články reformování zvládají přímo v článku.

Nevýznamnější je metan, který vzniká ve velkém množství odbouráváním organických látek rostlinného a živočišného původu za nedostatku vzduchu. Tedy v půdě, pod vodou, v trávicích soustavách živočichů. Jeho světové zásoby stále rostou a k tomu ukázalo, že metan produkují i živé rostliny. Metan je plně obnovitelný zdroj energie, stejně jako dřevo.

Význam pro stavebnictví

Palivový článek má největší potenciál v bytové výstavbě, kde může sehrát roli při posilování energetické soběstačnosti domů. Jeho použitím vzroste energetická provozní účinnost domů, jednak díky lepšímu využití energie a dále díky snížení tzv. faktoru energetické přeměny. Veškeré energetické potřeby lze řešit přípojkou plynu a přitom lze nabídnout přebytky elektřiny k odkoupení.