Palivový článek - zdroj energie budoucnosti
Primárním energetickým zdrojem pro budovy v blízké budoucnosti může být sluneční záření a biomasa sloužící pro otop a výrobu elektřiny pro okamžitou spotřebu. Přebytky elektrické energie lze konzervovat v podobě vodíku vyrobeného z vody a později využít ke spalováním pomocí palivových článků, jež generují elektřinu i teplo. Palivovým článkům a vodíkovému hospodářství se věnuje tento článek.
Model samostatného energetického hospodářství vyplývá mj. z dlouhotrvající diskuse o ekologicky udržitelných, ekonomicky dostupných a vysoce účinných zdrojích energie pro zajištění chodu staveb. Stále více se poukazuje na neudržitelnost dnešního chování, kdy lidé masivně odčerpávají rychle slábnoucí fosilní zdroje a dopravují energii na velké vzdálenosti s extrémně vysokými náklady na provoz a údržbu centrálních rozvodných sítí. Ukazuje se, že energie, kromě fosilních zásob, je spíše přebytek a je jen otázkou technologické a technické vyspělosti, kdy lidé začnou s vysokou účinností zpracovávat i zářivou energii ze slunce (sem obecně patří i využití sluneční energie akumulované v biomase), skladovat ji - nejlépe v podobě vodíku - a později čerpat pomocí palivových článků.
Přeměna chemické energie na elektrickou
Druhý zákon termodynamiky provázející přeměnu tepla spalovaných paliv v mechanickou práci znemožňuje - vzhledem k materiálově přijatelnému rozdílu teplot teplosměnného média - využití více než 42 % primární energie. To se týká i turbín v nejmodernějších tepelných elektrárnách. Obecnou platnost tohoto rigidního zákona lze obejít jen tím, že chemickou energii přeměníme tzv. kvazirovnovážnými procesy přímo v mechanickou nebo elektrickou, tj. bez tepelného mezičlánku, kdy nejdřív pálením paliva získáme z jeho chemické energie teplo, jímž poháníme tepelný stroj a následně elektrický generátor. Techniku přímé přeměny již dávno před lidmi zvládla příroda: V buňkách svalů se chemická energie kyslíkem spalovaných živin mění při tělesných teplotách v mechanickou práci, v nervových buňkách pak přímo v elektrickou energii. Tento druhý postup napodobil v laboratoři poprvé Alessandro Volta před více než 200 lety sestrojením galvanického článku. Ač jeho vynález slouží v podobě monočlánků a baterií tisíci různými způsoby, mají malý výkon a »spalují« prvky ze skupiny vzácných kovů, jejichž světové zdroje by se využitím pro velkou energetiku okamžitě vyčerpaly. Později sir Humphrey, zakladatel elektrochemie, sestrojil na svou dobu prajednoduchý článek poskytující stejnosměrný proud jen z kyslíku a vodíku. Teprve poválečný pokrok elektrochemie otevřel cestu k prakticky použitelným elektrochemickým článkům tohoto typu, tzv. palivovým článkům, které přímo mění chemickou energii dostupných a obnovitelných paliv (např. vodíku, zemního plynu aj.) s účinností až 85 %, pokud se využívá i tepla, které při tomto procesu vzniká.
Vodíko-kyslíkové elektrochemické články
Umístíme-li dvě elektrody do vodného alkalického roztoku (elektrolytu) a připojíme-li na ně kladný a záporný pól stejnosměrného elektrického napětí, začne roztokem procházet proud, přičemž se na elektrodě s kladným pólem elektrického napětí (anodě) vylučuje kyslík a na elektrodě se záporným pólem (katodě) vodík. Tento děj známý ze školních lavic a laboratoří se nazývá elektrolýza vody.
Při vhodném uspořádání lze popsaný děj obrátit: ponořme do téhož roztoku dvě elektrody, na které místo zdroje napětí přiložíme vodič s elektrickým odporem. Jestliže na povrch jedné ve styku s elektrolytem budeme přivádět vodík a na povrch druhé pak kyslík, bude celým obvodem - tvořeným elektrodami, elektrolytem a vodičem s odporem - procházet proud. To je princip palivového článku a přímé přeměny chemické energie vodíku a kyslíku v elektřinu.
Obr. 1: Zjednodušený princip vodíko-kyslíkového elektrochemického článku
Popis: Oxidací paliva (vodíku) na anodě se štěpí jeho molekuly na volné radikály a po uvolnění elektronů mění na kationty H+. Kationty postupují elektrolytem k protilehlé katodě. Uvolněné elektrony procházejí vnějším obvodem přes užitečnou zátěž k elektrodě zásobované kyslíkem.
V praxi se používají porézní, např. niklové elektrody, alkalický elektrolyt může být kapalina, ale i plastická keramická látka, prostupná pro nositele náboje, tj. anionty a kationty. Do jedné elektrody se přivádí molekulární vodík H2 jako palivo, do druhé molekulární kyslík O2 jako okysličovadlo. Na kladné elektrodě (anodě), do níž je přiváděn vodík, dojde ke katalytickému rozštěpení molekul H2 na radikály a po odejmutí elektronů ke vzniku vodíkových kationtů H+, které přejdou do elektrolytu a putují k protilehlé elektrodě - katodě. Elektrony, které na anodě uvolní vodík, postupují k protilehlé katodě vnějším obvodem přes užitečnou zátěž. Tím se elektrický okruh uzavírá. Molekuly O2 na katodě přijímají elektrony za vzniku kyslíkových aniontů O2-; anionty přecházejí do elektrolytu a putují k anodě. Vodíkové kationty a kyslíkové anionty protisměrně procházejí elektrolytem, a slučují se na molekuly vody, čímž je završen řízený chemický děj, kdy z vodíku a kyslíku vzniká voda a místo tepla elektrická energie:
4H+ + 2O2- → 2H2O
Voda, která by elektrolyt rozřeďovala, se musí odvádět.
V tomto zjednodušení probíhá elektrochemická reakce jen na obrázku. Skutečnost je složitější. Na elektrodě dochází ke styku tří fází: plynného paliva, kapalného elektrolytu přenášejícího ionty, zatímco materiál elektrody odvádí nebo přivádí elektrony. Uspokojivé spolupráce se podařilo dosáhnout až vynálezem mikroporézních plynových elektrod. Jedině obrovská akční plocha mikroskopických pórů zajišťuje vysokou účinnost smočené části elektrody a umožňuje přívod plynu bez ztrátového úniku. K reakci dochází na rozhraní nesmáčivých zrn elektrody, kde působí jako katalyzátor nejčastěji platina, urychlující rozklad dvouatomových molekul na volné radikály. Vývoj se zaměřil na tři nejnadějnější typy vodíko - kyslíkových článků, označených podle počátečních písmen plného názvu v angličtině: AFC, PAFC, PEMFC, MCFC a SOFC. Koncovka FC je zkratkou pro Fuel Cell (palivový článek) a to, co je předchází prozrazuje druh elektrolytu.
Alkalické články AFC
V článcích AFC (Alkaline Fuel Cell) probíhá reakce čistého paliva v kapalném nebo tuhém elektrolytu při nízké teplotě do 90 °C. Tyto články s elektrolytem z koncentrovaného hydroxidu draselného byly vyvíjeny od konce padesátých let pro napájení kosmických sond, lodí a družic. Při provozní teplotě 100 °C vykazují účinnost 60 až 70 %. Na výrobu jedné kWh elektrické energie článek spotřebuje 0,06 kg vodíku a 0,5 kg kyslíku. Napětí článků je jen 1,2 V, a proto se spojují do kompaktního bloku. Dosavadní typy nabízejí výkon od 400 W do 20 kW. Kromě družic zásobují i podmořské výzkumné stanice, plavidla a vojenská mobilní zařízení.
Články PAFC pro malé energetické jednotky
Pro energetické účely se vývojáři zaměřili na vodíko-kyslíkové články PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) s elektrolytem na bázi kyseliny fosforečné, s grafitovými porézními elektrodami s platinovým povlakovým katalyzátorem. Reakce probíhá při teplotách kolem 160 až 250 °C a vlastní elektrická účinnost přeměny se pohybuje kolem 42 %. Až na praktických 80 % se však může vyšplhat v roli kogenerátorů - spojených zdrojů elektřiny a tepla. Protože čistý vodík i kyslík jsou příliš drahými plyny a zacházení s nimi není právě nejbezpečnější, získávají vývojáři vodík na místě rozkladem zemního plynu v tzv. reformátoru a konvertoru při teplotě 800 °C, a kyslík čerpají přímo ze vzduchu. Kogenerační jednotka v mobilním kontejneru se po usazení připojí na plynovod a distribuční elektrovodnou síť. Při plném výkonu 200 kW elektřiny a 250 kW tepla v podobě horké vody či páry odebírá taková jednotka 55 m3 zemního plynu za hodinu. Největší demonstrační jednotka již dosáhla výkonu 1620 kW.
Membránové palivové články PEMFC
Tyto články s polymerním elektrolytem (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) jsou založeny na principu polymerové polopropustné membrány, která dovolí průchod jen jádrům vodíku (protonům). Pro značnou hustotu výkonu (min. 3000 W/m2) a nízkou provozní teplotu (60 - 80 °C) jsou středem pozornosti automobilového průmyslu, který je hodlá používat pro čistý elektrický pohon elektromobilů a elektrobusů. Články PEMFC vyžadují vysokou čistotu vstupních plynů a již nepatrný podíl oxidů uhlíku snižuje jejich výkon. Pokud se jako vstupní palivo používá zemní plyn, vyžaduje článek pečlivou separaci vodíku. Nejmenší PEMFC články provozované na čistý vodík z bombiček jsou využívány i jako kapesní proudový zdroj pro notebooky. Pro pohon osobních elektromobilů se uvažuje o článcích napájených přímo methanolem z čerpadel, označovaných DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Bez nutné předúpravy vstupních plynů (methanolu, zemního plynu a jiných uhlovodíků) se obejdou články s roztavenými karbonáty MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), pracující při teplotách kolem 650 °C. Vzhledem k vysoké teplotě jsou předurčeny pro malé kogenerační jednotky a mobilní energetické bloky s výkony od 200 do 2800 kW.
»Horké« palivové články SOFC
Požadavky ještě vyšších jednotkových výkonů - minimálně 10 MW, zřejmě splní ještě »teplejší« články SOFC s tuhými polopropustnými keramickými elektrolyty (Solid Oxide Fuel Cell), které se musí přes spuštěním předehřívat. Výkonová hustota se pohybuje kolem 7000 W/m2. Vzhledem k provozní teplotě až 1000 °C je elektrolyt tvořen ze směsi oxidů vzácných kovů (zejména zirkonu a yttria) a elektrody jsou nikl-keramické. Jako palivo se používá metan, uhelný a zemní plyn, lze však zužitkovat i odpadové plyny z chemiček. Výkony kogeneračních bloků SOFC do roku 2010 mají vzrůst až na 100 MW. To by mohlo vyřešit společné starosti ekologů a energetiků o čisté ovzduší a otevřít dveře tzv. »vodíkovému věku«, jehož počátky kladou futurologové do první poloviny nadcházejícího století.
Zdokonalené elektrochemické články v prvních experimentálních kogeneračních jednotkách dokáží prostřednictvím »chladného spalování« bez kotlů, turbogenerátorů a exhalací dodávat elektřinu a teplo s účinností až 85 %.
