Zvětšit obrázek

Vysoká účinnost nového článku spočívá ve zvládnutí technologie výroby mikrokanálků u výměníku tepla a využitím dvou neobvyklých procesů, tzv. vnější parní reformace a recyklace paliva. Kredit: PNNL

V časopisu Journal of Power Sources se objevil článek o článku, který odbornou i laickou veřejnost zajímající se o energetické zdroje rozdělil na dva tábory. Jedni argumentují - dejme tu věc do aut a snížíme o více než polovinu spotřebu paliva. A když k tomu připojíme levné baterie, které půjdou dobíjet i ze sítě, máme auto, jenž bude jezdit za desetinu toho, co spotřebuje běžné auto dnes. Lákavé na tom je, že pokud bychom pokořili hranici desetiprocentní spotřeby paliva, jsme schopni nahradit všechny fosilní paliva biopalivy. Oponenti argumentují, že palivové články jsou jen další cestou, jak se o fosilní paliva připravit.

Účinnost
Na spodní příčce účinnosti přeměny energie paliva na mechanickou práci je parní stroj, většinou není lepší než 12 %. Spalovací motory jsou na tom lépe, využijí 10 – 50 % chemické energie paliva. Benzínové a dieselové motory dosahují účinnosti kolem 25 %, turbinové v letadlech se pohybují okolo 20 – 25 % a ještě ekonomičtější jsou přeplňované motory s turbokompresorem poháněným výfukovými plyny (turbo). U těch výrobci uvádějí účinnost kolem 35 %. Stacionární spalovací turbína s tepelnými výměníky může dosahovat účinnosti i přes 50 %.
U palivových článků se účinnost přeměny na elektrickou energii uvádí ještě o něco vyšší a pokud se započítá využití tepla, zvyšuje se energetická účinnost na 80 %. O novém palivovém článku vyvinutém v PNNL se píše, že má dosahovat 93 %.

Palivový článek

Zvětšit obrázek

Polymer electrolyte fuel cell (Kredit: US DEP. ENERGY)

Palivové články jsou hodně podobné bateriím, používají anody, katody a elektrolyty na výrobu elektřiny. Rozdíl od baterií je v tom, že ty po čase přestanou fungovat, když spotřebují své náplně. Palivové články ale mohou dodávat proud nepřetržitě, pokud mají zajištěn stálý přívod paliva. Ti, co se v tom vyznají, zařadili nový systém vyvinutý firmou Energy´s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) do kategorie SOFC. Kromě té ale při čtení odborných textů narazíme také na palivové články AFC, PEFC, PAFC, DMFC a MCFC z čehož jeden začne mít docela slušný guláš.

Zvětšit obrázek

AFC (alkaline fuel cell) (Kredit: US DEP. ENERGY)

AFC (alkaline fuel cell)
Alkalický palivový článek je konstrukčně nejjednodušší. Pracuje za nízkých teplot, přičemž zvládá i pokojovou teplotu. Za optimum se považuje 60 – 90 °C. V roli elektrolytu figuruje hydroxid sodný, nebo draselný. Jen asi čtyřicetiprocentní koncentrace hydroxidů není natolik korozivní, aby bylo potřeba využívat platinové katalyzátory, což výrobu zařízení značně zlevňuje. Většímu rozšíření těchto článků brání jejich časté „ucpávání“. Všudypřítomný oxid uhličitý reaguje s elektrolytem za vzniku uhličitanů. Pro palivo těchto článků (kyslík a vodík) proto platí víc než pro všechny ostatní pořekadlo: „čistota půl zdraví“. Články se zatím daří při životě udržet 8 000 operačních hodin. Aby se staly rentabilní, musely by mít stabilní výkon pětkrát tak dlouho.

PEFC (polymer electrolyte fuel cell)
Takzvaný polymerní článek odvozuje svůj název od elektrolytu, který tvoří látka podobná teflonu. V této membráně jsou chemickými vazbami zabudovány skupiny kyseliny sulfonové uvolňující vodíkové ionty. Jejich volný pohyb v polymeru zajišťuje funkci iontoměniče. Zatímco alkalické články „ucpává“ oxid uhličitý, zde jsou ničitelem membrán ionty kovů. Řešení se našlo v podobě katalyzátorů z platiny a pouzder z pozlaceného titanu. A to se s ekonomickým provozem moc neslučuje, nehledě na další membránovou nectnost - nesmí se z nich odpařit voda rychleji, než na nich vzniká. Tomu lze zabránit jen tím, že se složitě hlídá, aby nedošlo k přehřátí a teplota nepřestoupila 100 °C.

PAFC (phosphoric acid FC)
Článek s koncentrovanou kyselinou fosforečnou se podle teplotního členění řadí ke středněteplotním, pracuje v rozmezí 160 - 220 °C, nízké teploty nesnáší, protože kyselinový elektrolyt se již při 45 stupních mění na krystaly, a ty svou funkci iontové vodivosti odmítají plnit. Nevýhodou je dlouhá příprava před startem s nutností nahřívání na provozní teplotu. A také nesnáší v palivu přítomnost oxidu uhelnatého, čehož lze v případě, že se jede na vodík ze zemního plynu, dosáhnout jen těžko.

Zvětšit obrázek

PAFC (phosphoric acid FC) (Kredit: US DEP. ENERGY)

DMFC (direct methanol fuel cell)
Alkoholový článek využívající jedovatý metanol neoslňuje výkonem ani účinností. Jednak proto, že palivo je s vodou v kamarádském vztahu, a ta mu dovoluje unikat z anody přes membránu na katodu, kde se spaluje „pánubohu do oken“. Článek ale pracuje v sympatickém optimu okolo 100 °C a alkoholové náplně nejsou drahé, snadno se skladují i vyměňují, což spolu s jednoduchou konstrukcí článku z něj činí favorita pro široké uplatnění, například jako zdroje energie pro notebooky, telefony apod. Zcela vážně jsou míněny úvahy využívat je i v automobilech. Jako argument slouží jednoduchá přestavba stávajících čerpacích stanic. Uskladňovat metanol je mnohem snazší, než laškování s vodíkem.

Zvětšit obrázek

MCFC (molten carbonate fuel cells) (Kredit: US DEP. ENERGY)

MCFC (molten carbonate fuel cell)
Články využívající taveninu uhličitanů (sodík, draslík, litium), jimž jako palivo slouží oxid uhelnatý, vodík, nebo obojí, se řadí do kategorie vysokoteplotních. Jejich provozní optimum je 600 až 700 °C. Zajímavostí je, že katodu je třeba zásobovat spolu s kyslíkem i oxidem uhličitým. Ten totiž umožňuje vznik uhličitanových aniontů, které zajišťují onu vodivost elektrolytu z taveniny. I když se jako palivo uvádí vodík a oxid uhelnatý, do článků se může přivádět metan. Jednoduše proto, že při vysoké teplotě procesem zvaným reformace vodní parou vznikající na anodě se vodík z metanu vytvoří.

SOFC (solid oxide fuel cell)
Články s tuhými oxidy také patří mezi vysokoteplotní. Pracují v rozmezí 800 - 1000 °C, což jim rovněž umožňuje přímou konverzi uhlíkatých paliv, podobně jako u MCFC článků. Elektrolytem je iontově vodivý keramický materiál tvořený oxidem zirkonu a ytria (ZrO₂ stabilizovaný Y₂ O₃ ) Někdy se pro zvýšení vodivosti při nižších teplotách přimíchává oxid stroncia. Materiál je vodivý pro kyslíkové ionty, které transportuje od katody k anodě. Anoda je ze spékaného keramického materiálu obohaceného o nikl a zirkon. Katoda bývá z materiálu, který známe spíše jako antiferomagnetikum - LaMnO₃
Probíhající chemický proces v článku lze popsat rovnicí Při spalování oxidu uhelnatého: 2CO + 2O^2- → 2CO₂ + 4e^-. V případě vodíku: 2H₂ + 2O^2- → 2H₂O + 4e^-.

SOFC články se vyznačují neobvykle vysokou účinností v širokém rozsahu jejich výkonu. Jsou vhodné jak pro „malovýrobu“ jedné až dvou kilowatt kombinované produkce tepla a elektrické energie, tak pro systémy zajišťující výrobu elektrické energie v objemech 100 - 250 kW pro distribuci v rámci místní přenosové sítě.
I když se uvádí, že palivem je metan, ve skutečnosti systém využívá jen jeho přeměny. Za pomoci vodní páry vznikající na anodě jej článek reformuje na vodík a oxid uhelnatý (CO), a teprve tyto plny jsou skutečným palivem. Díky anodové recirkulaci stouplo celkové využití energie obsažené v palivu na 93 %. Systém již dosáhl čistého výkonu 1650 - 2150 W s maximem účinnosti přeměny na elektrickou energii 56,6 % při 1720 W. Celkovou účinnost systému by mělo přehoupnout přes hodnotu 60 % lepší turbodmychadlo.

Většina firem a výzkumných týmů se dosud zaměřovala na větší systémy, které produkují 1 megawatt výkonu nebo více a snažily se o jakousi náhradu tradičních elektráren. Podle Vincenta Sprenkleho, spoluautora publikace a hlavního inženýra Pacific Northwest National Laboratory, jsou menší pevné palivové články, které generují mezi 1 a 100 kilowatty, lepší alternativou, neboť v případě potřeby jsou propojením do soustavy také schopny zajistit vysoce efektivní, lokalizovanou větší produkci energie.

Když Sprenkle se spolupracovníky začal článek před časem vylepšovat, vsadili na „rodinnou záležitost“. Jejich pilotní systém je postaven na jednotce generující cca 2 kW elektrické energie, což je energetická spotřeba typické americké domácnosti. Je koncipována tak, aby jí šlo snadno pospojovat na výrobnu 100 až 250 kW, což je spotřeba 50 až 100 domácností. Menší systémy jsou také fyzicky menší, takže mohou být umístěny blíže koncovému uživateli. Tomu se říká distribuovaná generace vyrábět elektřinu v relativně malých množstvích pro místní použití, jako jsou jednotlivé domy nebo čtvrti. Právě k tomu je článek určen.

Při provozní teplotě 1 100 °C může zpracovat nejen zemní plyn, bioplyn, ale i kapalná paliva jako jsou nafta a benzín. Jen se musí nejprve pečlivě vyčistit.

Vlastní SOFC článek je vyroben z keramických materiálů a tvoří ho tři vrstvy - anoda, katoda a elektrolyt. Vzduch je přiváděn k vnější vrstvě katody. Kyslík ze vzduchu poskytuje negativně nabitý iont, O^2-, přes vnitřní vrstvu katody prostupuje do elektrolytu, jím putuje, aby nakonec dosáhl anody. Tam kyslíkové ionty reagují s palivem. Při této reakci se vytváří elektřina a jako vedlejší produkty pára a oxid uhličitý.

SOFC (solid oxide fuel cell)

Sprenkle a jeho kolegové jsou první, kteří postavili malý článek tohoto typu, a jehož účinnost je nad 50 procent. Jsou i první v použití vnější parní reformační jednotky k smíchávání paliva s párou, přičemž dochází k reakci za vzniku oxidu uhelnatého a vodíku, jež pak reagují s kyslíkem v palivovém článku na anodě. Vzniká elektřina a jako vedlejší produkt pára a oxid uhličitý. Metoda katalytického reformování byla použita v souvislosti s palivovými články již dříve, ale dost nešťastně. Tepelného efektu se využívalo přímo v článku, což vystavovalo keramické části článku nerovnoměrným teplotám s dopadem na jeho životnost. Nový systém využívá externí zařízení. Klíčem úspěchu je výměník tepla se stěnami z tepelně vodivého kovu podobného materiálu. Ten plyny odděluje, na jedné straně jsou vedlejší produkty provozu článku - „výfuk“. Druhá strana nasává zprvu chladnější plyn, který směřuje do palivového článku. Výměník tepla je ze spletí drobných kanálků tenčích než drátek kancelářské sponky. Navzdory tomu k „protlačení“ plynů přes zatáčky kroutících se kanálků není třeba enormně zvyšovat tlak.

K vylepšení účinnosti systému přispěla i recyklace, při níž se využívá část páry a plynu vznikající na anodě. Systém tím šetří energii, kterou by jinak musel k tvorbě páry využívat přídavné elektrické zařízení. Při tomto vracení páry do cyklu se dokonce zužitkují i zbytky paliva, které napoprvé prošly celým článkem bez užitku. Kombinace využití externí páry k přeměně paliva a recyklace výfukových plynů činí systém vysoce efektivním. Laboratorní testy ukázaly, že má čistou účinnost od 48,2 procenta při odběru 2,2 kW a 56,6 procenta př 1,7 kW. Dalšími úpravami má stoupnout nad 60 procent.

Výhodou tohoto typu článku je rychlý průběh reakcí na elektrodách, což mu dodává na „pružnosti“ v reakcích na zatížení. Vysoká pracovní teplota dovoluje možnost přímé konverze jak zemního plynu, tak i jiných druhů uhlíkatých paliv. Výrobce bohužel nic neuvádí o problémech, s nimiž se tyto články potýkají. Jde například o pnutí materiálů, k němuž dochází při vysokých provozních teplotách. Zapomenout také musíme na rychlý start. Elektrody i elektrolyt jsou z keramických materiálů a těm opakované změny teplot také zrovna nesvědčí. Časté starty by mohly přivodit jejich náhlý konec. Nectnosti by snad mohla vyvážit vysoká životnost a nekorozivnost článků. Díky keramice odpadají problémy, které mají systémy s kapalnými elektrolyty. Výhodou je, že článek prakticky nemá žádné požadavky na tvar. S jeho brzkým zavedením do aut to ale zatím moc horké nebude. Navzdory zmíněné „pružnosti“ se i této novinky stále týká to, co je pro všechny palivové články typické - reakce na změnu zátěže je u všech pomalá. Ani tento není schopen dodat více proudu, než kolik dovoluje použitý katalyzátor, což nenabízí možnot dostatečně rychlé odezvy na nároky automobilového elektromotoru. Bezproblémové by tedy zatím mohlo být jeho uplatnění jen tam, kde požadujeme relativně konstantní proudový odběr. Optimisté ale jsou názoru, že požadavek momentálně velké spotřeby při rozjezdu auta, předjíždění a při velkých stoupání, by šlo řešit paralelně zařazenými akumulátory, které se u elektrokolek již běžně používají. Kéž by měli pravdu.

Prameny:
Pacific Northwest National Laboratory
M Powell, K Meinhardt, V Sprenkle, L Chick and G McVay, "Demonstration of a highly efficient solid oxide fuel cell power system using adiabatic steam reforming and anode gas recirculation," Journal of Power Sources, Volume 205, 1 May 2012, Pages 377-384, http://www.science … 775312001991