Palivový článek

Poll without page-refresh

Article on other languages:

Obrázek methanolového palivového článku.

Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející elektrickou energii. Palivový článek je galvanický článek, k jehož elektrodám jsou přiváděny jednak palivo (k anodě) jednak okysličovadlo (ke katodě). Princip výroby elektřiny v palivovém článku spočívá tedy v dodávání paliva k anodě (do anodového prostoru) a okysličovadla ke katodě (do katodového prostoru). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se nachází elektrolyt. Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O^2-), a ty pak reagují s H⁺ ionty na vodu. Palivové články mohou operovat nepřetržitě, pokud se nepřeruší přívod paliva a okysličovadla k elektrodám.

Na rozdíl od obvyklých monočlánků (baterií), ve kterých se elektrody při odběru proudu spotřebovávají, zůstávají elektrody v palivovém článku stálé, avšak spotřebovává se palivo a okysličovadlo, kterými jsou elektrody omývány. Zatímco elektrody uvnitř baterie jsou opotřebovávány, v palivovém článku jsou elektrody katalyticky i relativně stabilní.

Existuje mnoho kombinací paliva a okysličovadla. Např. kyslíko-vodíkový článek používá vodík jako palivo a kyslík jako okysličovadlo. Jiné články užívají jako paliva uhlovodíky a alkoholy. Místo čistého kyslíku se jako okysličovadla může použít například vzduch, chlór a oxid chloričitý.

Pozadí

Autobus Mercedes-Benz s pohonem na palivové články.

Přeměna chemické energie na elektrickou se většinou děje v generátorech oklikou přes kinetickou energii, která vzniká při spalování daného paliva. Palivové články vyrábějí elektřinu přímo a proto by měly být účinnější, jednodušší a spolehlivější. Zatím však jejich využití částečně brání technické překážky.

V současnosti se nejvíce nadějí vkládá do kyslíko-vodíkového palivového článku v rámci vodíkového pohonu automobilů. Vodík může být vyroben např. pomocí elektrolýzy vody a kyslík je obsažen v atmosféře. Skladování vodíku v automobilových nádržích je zatím problematické (vodík je ve směsi se vzduchem vysoce výbušný). Navíc účinnost celého cyklu (elektřina → vodík → elektřina) dosahuje jen asi 30-40 % (benzínové motory – 18 %).

V současnosti jsou už palivové články používány v raketoplánech a v ponorkách.

Historie

Princip palivového článku byl objeven už v roce 1838 švýcarským vědcem Christianem Friedrich Schönbeinem. Popsal jej v publikaci, která vyšla v lednu 1839. Na základě této teoretické práce sestavil první fungující prototyp Sir William Growe. Termín „Palivový článek“ patrně použili jako první v roce 1889 Charles Langer a Ludwig Mond, kteří se pokusili vyvinout článek napájený svítiplynem. Jejich článek ale byl příliš drahý. Tvůrcem názvu mohl být i William Jacques, který poprvé zkusil jako elektrolyt použít v článku kyselinu fosforečnou.

Po vynálezu dynama Wernerem von Siemensem palivový článek upadl částečně v zapomnění.

V roce 1932 sestrojil Francis Bacon první prakticky použitelný článek s elektrolytem tvořeným hydroxidem draselným. V roce 1952 měl zdroj, založený na tomto článku výkon 5 kW.

Svou skutečnou renesanci zažil palivový článek v 60. letech 20. století. Bylo to především díky kosmickému výzkumu, protože článek má proti jiným zdrojům výhodnější poměr energie/hmotnost. Byly jimi například vybaveny kosmické lodi programu Apollo, ale jsou zdrojem energie i pro současné raketoplány.

Struktura

Palivový článek se skládá ze dvou elektrod, které jsou odděleny membránou nebo elektrolytem. K anodě je přiváděno palivo (např. vodík, methan, methanol, kyselina octová, roztok glukózy), které je zde oxidováno. Ke katodě je přiváděno oxidační činidlo (např. kyslík, peroxid vodíku, thiokyanát draselný), které se zde redukuje.

Elektrody jsou většinou zhotoveny z různých kovů, nebo může jít o uhlíkové nanotrubičky. Mohou být potaženy katalyzátorem (např. platinou nebo palladiem), čímž se dosahuje vyšší účinnosti. Dnes se standardně používají elektrody s množstvím katalyzátoru 5g/m².

Jako elektrolyt mohou sloužit různé kyseliny (převážně H₃PO₄) nebo zásady (nejčastěji KOH), keramiky nebo membrány. U specifických palivových článků se používá jako elektrolyt plyn pod vysokým tlakem. Dnes nejpoužívanějším elektrolytem je KOH, který byl použit už u článků v projektu Apolo, jehož nevýhodou však je, že se oxidovadlo musí čistit od CO₂, aby nedocházelo k reakci oxidu uhličitého s elektrolytem, neboť vzniklý uhličitan draselný by přestal plnit funkci elektrolytu.

Vznikající elektrické napětí je teoreticky okolo 1,23 voltu a závisí na typu paliva a kvalitě článku. U dnes nejpoužívanějších článků dosahuje nejčastěji napětí 0,5 - 0,95 V. Aby se dosáhlo vyššího napětí, zařazuje se více palivových článků do série. Velikost proudu závisí na ploše článku, dnes komerčně dostupné články poskytuji přibliže 0,5W/cm2.

Reakce

schematické vyjádření dějů v palivovém článku

Palivo (například vodík) je na anodě katalyticky přeměněno na kationty (v příp. vodíku ionty H⁺). Uvolněné elektrony jsou vychytány anodou a vytváří elektrický proud, který teče přes elektrický spotřebič ke katodě. Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O^2-), a ty pak reagují s H⁺ ionty na vodu.