Co jsou palivové články

Mobilní elektronika se každý rok, ne-li měsíc, stává dostupnější a rozšířenou. Zde máte notebooky a PDA a digitální fotoaparáty a mobilní telefony a tunu nejrůznějších užitečných a ne takových zařízení. A všechna tato zařízení neustále získávají nové funkce, výkonnější procesory, velké barevné obrazovky, bezdrátovou komunikaci a zároveň zmenšují velikost. Na rozdíl od polovodičových technologií však energetické technologie všech těchto mobilních zvěřin neprocházejí skoky a mezemi.

Konvenční dobíjecí baterie a baterie zjevně nestačí k napájení nejnovějšího pokroku v elektronickém průmyslu po podstatnou dobu. A bez spolehlivých a prostorných baterií se ztratí celý význam mobility a bezdrátového připojení. Počítačový průmysl tedy na tomto problému pracuje stále aktivněji alternativní zdroje napájení. A nejslibnější, dnešní směr, je palivové články.

Základní princip provozu palivových článků objevil britský vědec Sir William Grove v roce 1839. Je známý jako otec palivového článku. William Grove vyráběl elektřinu změnou elektrolýza vody extrahovat vodík a kyslík. Po odpojení baterie od elektrolytického článku byl Grove překvapen, když zjistil, že elektrody začaly absorbovat uvolněný plyn a generovat proud. Otevření procesu elektrochemické spalování vodíku za studena událost v energetickém sektoru se stala významnou a v budoucnu hráli významní roli při vývoji teoretických základů a praktického provádění palivových článků tak známí elektrochemici jako Ostwald a Nernst a předpovídali jim velkou budoucnost.

Sám termín „palivový článek“ (Fuel cell) objevil se později - to bylo navrženo v 1889 Ludwig Mond a Charles Langer, kdo pokusil se vytvořit zařízení pro výrobu elektřiny od vzduchu a uhlí plyn.

Během normálního spalování kyslík oxiduje fosilní paliva a chemická energie paliva je neúčinně přeměněna na tepelnou energii. Ukázalo se však, že je možné provést oxidační reakci, například vodík s kyslíkem, v elektrolytovém médiu a v přítomnosti elektrod, aby se získal elektrický proud. Například, přiváděním vodíku do elektrody umístěné v alkalickém prostředí získáme elektrony:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

která prochází vnějším obvodem a vede k protější elektrodě, do které vstupuje kyslík a kde probíhá reakce: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Je vidět, že výsledná reakce 2H2 + O2 → H2O je stejná jako při normálním spalování, ale v palivovém článku nebo jinak - v elektrochemický generátor, ukáže se elektrický proud s vysokou účinností a částečně teplem. Všimněte si, že uhlí, oxid uhelnatý, alkoholy, hydrazin, další organické látky lze také použít jako palivo v palivových článcích a jako oxidační činidla lze použít vzduch, peroxid vodíku, chlor, brom, kyselinu dusičnou atd.

Vývoj palivových článků rázně pokračoval jak v zahraničí, tak v Rusku a dále v SSSR. Mezi vědci, kteří významně přispěli ke studiu palivových článků, jmenujeme V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. V polovině minulého století začal nový útok na problémy s palivovými články. Důvodem je částečně vznik nových nápadů, materiálů a technologií v důsledku obranného výzkumu.

Jedním z vědců, kteří udělali významný krok ve vývoji palivových článků, byl P. M. Spiridonov. Prvky vodíku a kyslíku Spiridonova poskytl proudovou hustotu 30 mA / cm2, což bylo pro tuto dobu považováno za velký úspěch.Ve čtyřicátých letech O. Davtyan vytvořil zařízení pro elektrochemické spalování generátorového plynu získaného zplyňováním uhlí. S každým kubickým metrem objemu prvku dostal Davtyan výkon 5 kW.

To bylo první tuhý elektrolytový palivový článek. Měl vysokou účinnost, ale postupem času se elektrolyt stal nepoužitelným a musel být změněn. Na konci padesátých let Davtyan vytvořil výkonnou instalaci, která poháněla traktor. Ve stejných letech anglický inženýr T. Bacon navrhl a postavil baterii s palivovými články o celkové kapacitě 6 kW a účinnosti 80%, pracující na čistém vodíku a kyslíku, ale poměr energie k hmotnosti baterie byl příliš malý - takové prvky byly nevhodné pro praktické použití a také drazí.

V následujících letech uběhl čas samotářů. Tvůrci kosmických lodí se začali zajímat o palivové články. Od poloviny 60. let byly do výzkumu palivových článků investovány miliony dolarů. Práce tisíců vědců a techniků umožnila dosáhnout nové úrovně av roce 1965. palivové články byly testovány ve Spojených státech na kosmické lodi Gemini 5 a později na lodích Apollo na lety na Měsíc a v rámci programu Shuttle.

V SSSR byly palivové články vyvinuty v NPO Kvant, také pro použití ve vesmíru. V těchto letech se již objevily nové materiály - pevné polymerní elektrolyty na bázi iontoměničových membrán, nové typy katalyzátorů, elektrody. A přesto byla hustota pracovního proudu malá - v rozmezí 100-200 mA / cm2 a obsah platiny na elektrodách byl několik g / cm2. S životností, stabilitou a bezpečností bylo spojeno mnoho problémů.

Další fáze rychlého vývoje palivových článků začala v 90. letech. minulého století a pokračuje nyní. Je to způsobeno potřebou nových účinných zdrojů energie na jedné straně v důsledku globálního environmentálního problému zvyšování emisí skleníkových plynů ze spalování fosilních paliv a na druhé straně v důsledku vyčerpání těchto paliv. Protože voda je konečným produktem spalování vodíku v palivovém článku, považuje se z hlediska dopadu na životní prostředí za nejčistší. Hlavním problémem je pouze nalezení účinného a levného způsobu výroby vodíku.

Miliardové finanční investice do vývoje palivových článků a vodíkových generátorů by měly vést k technologickému průlomu a učinit jejich využití v každodenním životě skutečností: v buňkách mobilních telefonů, v autech, v elektrárnách. Automobiloví obři jako Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors již předvádějí automobily a autobusy s palivovými články o výkonu 50 kW. Vyvinula se řada společností Ukázky elektrárenských palivových článků na tuhá paliva do 500 kW. Ale i přes významný průlom ve zlepšování výkonu palivových článků je stále třeba vyřešit mnoho problémů souvisejících s jejich náklady, spolehlivostí a bezpečností.

V palivovém článku jsou na rozdíl od baterií a akumulátorů dodávány palivo i oxidační činidlo z vnějšku. Palivový článek je v reakci pouze prostředníkem a za ideálních podmínek by mohl fungovat téměř navždy. Krása této technologie je taková ve skutečnosti je palivo v prvku spáleno a uvolněná energie je přímo přeměněna na elektřinu. Při přímém spalování paliva se oxiduje kyslíkem a teplo vytvářené v tomto procesu se používá k dokončení užitečné práce.

V palivovém článku, stejně jako v bateriích, jsou reakce oxidace paliva a redukce kyslíku prostorově odděleny a proces „spalování“ pokračuje, pouze pokud článek uvolní proud zátěži. Je to jako naftový generátor, pouze bez nafty a generátoru. A také bez kouře, hluku, přehřátí a mnohem vyšší účinnosti. To je vysvětleno skutečností, že na jedné straně neexistují žádná mezilehlá mechanická zařízení a na druhé straně palivový článek není tepelným motorem, a proto se nerespektuje Carnotův zákon (to znamená, že jeho účinnost není určována teplotním rozdílem).

Kyslík se používá jako oxidační činidlo v palivových článcích. Navíc, protože kyslík je ve vzduchu celkem dost, není třeba se obávat dodávky oxidačního činidla. Pokud jde o palivo, jedná se o vodík. Reakce tedy probíhá v palivovém článku:

2H2 + O2 → 2H2O + elektřina + teplo.

Výsledkem je užitečná energie a vodní pára. Nejjednodušší v designu je palivový článek pro výměnu protonových membrán (viz obrázek 1). Funguje to následovně: vodík vstupující do prvku se rozkládá působením katalyzátoru na elektrony a pozitivně nabité ionty vodíku H +. Poté přichází do hry speciální membrána, která zde působí jako elektrolyt v konvenční baterii. Díky svému chemickému složení prochází protony skrz sebe, ale zachycuje elektrony. Elektrony akumulované na anodě tak vytvářejí nadměrný záporný náboj a vodíkové ionty vytvářejí kladný náboj na katodě (napětí na prvku je asi 1 V).

Pro vytvoření vysoké energie je palivový článek sestaven z více článků. Pokud do zátěže vložíte prvek, pak elektrony protékají katodou, vytvářejí proud a dokončují proces oxidace vodíku kyslíkem. Jako katalyzátor v takových palivových buňkách se obvykle používají platinové mikročástice uložené na uhlíkovém vláknu. Díky své struktuře tento katalyzátor dobře prochází plynem a elektřinou. Membrána je obvykle vyrobena z polymeru Nafion obsahujícího síru. Tloušťka membrány se rovná desetinám milimetru. Během reakce se samozřejmě také uvolňuje teplo, ale není to tak, takže provozní teplota je udržována v rozmezí 40-80 ° C.

Obr. Princip fungování palivového článku

Existují i ​​jiné typy palivových článků, které se liší hlavně typem použitého elektrolytu. Téměř všechny z nich vyžadují vodík jako palivo, takže vyvstává logická otázka: kde jej získat. Samozřejmě by bylo možné použít stlačený vodík z lahví, ale potom okamžitě vznikají problémy spojené s přepravou a skladováním tohoto vysoce hořlavého plynu pod vysokým tlakem. Samozřejmě můžete použít vodík ve vázané formě jako u baterií s hydridem kovu. Úkolem však zůstává těžba a přeprava, protože infrastruktura vodíkových čerpacích stanic neexistuje.

Existuje však také řešení - jako zdroj vodíku lze použít kapalné uhlovodíkové palivo. Například ethylalkohol nebo methylalkohol. Je pravda, že zde je již zapotřebí speciální přídavné zařízení - konvertor paliva, který při vysoké teplotě přeměňuje alkoholy na směs plynného H2 a CO2 (u methanolu to bude někde kolem 240 ° C). Ale v tomto případě je už obtížnější přemýšlet o přenositelnosti - taková zařízení se dobře používají jako stacionární nebo alternátory automobilůAle pro kompaktní mobilní zařízení potřebujete něco méně těžkopádného.

A tady přicházíme k tomu zařízení, jehož vývoj se téměř všemi největšími výrobci elektroniky zabývá hroznou silou - palivový článek s methanolem (obrázek 2).

Obr. Princip fungování palivového článku na methanolu

Základním rozdílem mezi vodíkovými a methanolovými plnivovými prvky je použitý katalyzátor. Katalyzátor v methanolovém palivovém článku umožňuje odstranění protonů přímo z molekuly alkoholu.Problém paliva se tedy řeší - methylalkohol je hromadně vyráběn pro chemický průmysl, je snadné jej skladovat a přepravovat a nabíjet palivový článek s methanolem, stačí vyměnit kazetu za palivo. Je pravda, že existuje jedna významná minus - methanol je toxický. Kromě toho je účinnost palivového článku s methanolem výrazně nižší než účinnost vodíkového článku.

Obr. 3. Methanolový palivový článek

Nejlákavější možností je používat jako palivo ethylalkohol, protože výroba a distribuce alkoholických nápojů jakéhokoli složení a obsahu je na celém světě dobře zavedena. Účinnost etanolových palivových článků je však bohužel dokonce nižší než účinnost methanolu.

Jak již bylo uvedeno v průběhu mnoha let vývoje v oblasti palivových článků, byly postaveny různé typy palivových článků. Palivové články jsou klasifikovány podle elektrolytu a typu paliva.

1. Pevný polymer vodíku a kyslíku.

2. Palivové články z tuhého polymerního methanolu.

3. Prvky alkalického elektrolytu.

4. Palivové články s kyselinou fosforečnou.

5. Palivové články na roztavených uhličitanech.

6. Palivové články z pevného oxidu.

V ideálním případě je účinnost palivových článků velmi vysoká, ale ve skutečných podmínkách existují ztráty spojené s nerovnovážnými procesy, jako jsou ohmické ztráty v důsledku vodivosti elektrolytu a elektrod, aktivace a polarizace koncentrace, difúzní ztráty. V důsledku toho se část energie generované v palivových článcích přemění na teplo. Úsilí odborníků je zaměřeno na snížení těchto ztrát.

Hlavním zdrojem ohmických ztrát a důvodem vysoké ceny palivových článků jsou perfluorované sulfokační iontoměničové membrány. Nyní hledáme alternativní, levnější protonově vodivé polymery. Protože vodivost těchto membrán (tuhé elektrolyty) dosahuje přijatelné hodnoty (10 Ohm / cm) pouze v přítomnosti vody, musí být plyny přiváděné do palivového článku dodatečně navlhčeny ve zvláštním zařízení, což také systém prodražuje. V katalytických plynových difúzních elektrodách se používá hlavně platina a některé další vzácné kovy a dosud nebyla nalezena žádná náhrada. Ačkoli obsah platiny v palivových článcích je několik mg / cm2, u velkých baterií dosahuje jeho množství desítek gramů.

Při navrhování palivových článků je věnována velká pozornost systému odvádění tepla, protože při vysokých proudových hustotách (až 1A / cm2) se systém zahřívá. Pro chlazení se používá voda cirkulující v palivovém článku pomocí speciálních kanálů a při nízkých kapacitách se používá foukání vzduchu.

Moderní systém elektrochemického generátoru tedy kromě samotné baterie s palivovými články „roste“ s mnoha pomocnými zařízeními, jako jsou: čerpadla, kompresor pro přívod vzduchu, přívod vodíku, zvlhčovač plynu, chladicí jednotka, systém řízení úniku plynu, převodník stejnosměrného proudu na střídavý proud, řídicí procesor To vše vede k tomu, že náklady na systém palivových článků v letech 2004-2005 činily 2 - 3 tisíce $ / kW. Podle odborníků budou palivové články k dispozici pro použití v dopravě a ve stacionárních elektrárnách za cenu 50 - 100 $ / kW.

Pro zavedení palivových článků do každodenního života, spolu s levnějšími komponenty, musíte očekávat nové originální nápady a přístupy. Obzvláště velké naděje jsou spojeny s použitím nanomateriálů a nanotechnologií. Například nedávno několik společností oznámilo vytvoření superúčinných katalyzátorů, zejména pro kyslíkovou elektrodu založenou na klastrech nanočástic různých kovů. Kromě toho byly hlášeny návrhy palivových článků bez membrány, ve kterých je kapalné palivo (např. Methanol) dodáváno do palivového článku spolu s oxidačním činidlem.Zajímavým konceptem je rozvinutý koncept prvků biopaliv, které fungují ve znečištěných vodách a spotřebovávají rozpuštěný kyslík jako oxidační činidlo a organické nečistoty jako palivo.

Podle odborníků vstoupí palivové články na masový trh v následujících letech. Vývojáři si postupně překonávají technické problémy, podávají zprávy o úspěších a prezentují prototypy palivových článků. Například společnost Toshiba předvedla hotový prototyp palivového článku z methanolu. Má velikost 22x56x4,5 mm a dává výkon řádově 100mW. Jedno tankování ve 2 kostkách koncentrovaného (99,5%) methanolu stačí na 20 hodin práce MP3 přehrávače. Společnost Toshiba vydala komerční palivovou buňku pro napájení mobilních telefonů. Stejná společnost Toshiba opět prokázala prvek pro napájení notebooků o rozměrech 275 x 75 x 40 mm, který umožňuje počítači pracovat po dobu 5 hodin od jediného doplňování paliva.

Další japonská společnost, Fujitsu, není daleko za společností Toshiba. V roce 2004 představila také prvek působící na 30% vodný roztok methanolu. Tento palivový článek pracoval při jednom tankování ve 300 ml po dobu 10 hodin a současně vydal výkon 15 wattů.

Casio vyvíjí palivový článek, ve kterém je methanol nejprve zpracováván na směs plynného H2 a CO2 v miniaturním palivovém konvertoru a poté přiváděn do palivového článku. Během demonstrace poskytoval prototyp Casio napájení notebooku po dobu 20 hodin.

Samsung byl také známý v oblasti palivových článků - v roce 2004 předvedl svůj 12 W prototyp navržený pro napájení notebooku. Společnost Samsung obecně očekává, že bude používat palivové články, zejména v chytrých telefonech čtvrté generace.

Musím říci, že japonské společnosti se obecně velmi pečlivě přiblížily vývoji palivových článků. V roce 2003 se společnosti jako Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony a Toshiba spojily, aby vytvořily společný standard palivových článků pro notebooky, mobilní telefony, PDA a další elektronická zařízení. Americké společnosti, které jsou na tomto trhu také početné, většinou pracují na základě smluv s armádou a vyvíjejí palivové články pro elektrifikaci amerických vojáků.

Němci nejsou pozadu - Smart Fuel Cell prodává palivové články pro napájení mobilní kanceláře. Zařízení se nazývá Smart Fuel Cell C25, má rozměry 150x112x65mm a dokáže na jedné čerpací stanici produkovat až 140 wattů-hodin. To stačí k napájení notebooku po dobu přibližně 7 hodin. Poté lze kazetu vyměnit a můžete pokračovat v práci. Velikost patrony s methanolem je 99x63x27 mm a váží 150 g. Samotný systém váží 1,1 kg, takže jej nelze vůbec nazvat přenosným, ale stále je to kompletní a pohodlné zařízení. Společnost také vyvíjí palivový modul pro napájení profesionálních videokamer.

Obecně platí, že palivové články téměř vstoupily na trh mobilní elektroniky. Výrobci jsou ponecháni, aby vyřešili nejnovější technické problémy před zahájením hromadné výroby.

Nejprve je třeba vyřešit otázku miniaturizace palivových článků. Koneckonců, čím menší je palivový článek, tím méně energie bude moci rozdávat - tak se neustále vyvíjejí nové katalyzátory a elektrody, které umožňují při malých velikostech maximalizovat pracovní povrch. Právě včas se zde hodí nejnovější vývoj v oblasti nanotechnologií a nanomateriálů (například nanotrubic). Opět platí, že pro miniaturizaci páskování prvků (palivová a vodní čerpadla, chladicí systémy a konverze paliva) se stále více používají mikroelektromechanické pokroky.

Druhým důležitým problémem, který je třeba řešit, je cena. Ve skutečnosti se jako katalyzátor ve většině palivových článků používá velmi drahá platina.Někteří výrobci se opět snaží co nejlépe využít již dobře rozvinutou křemíkovou technologii.

Stejně jako v jiných oblastech použití palivových článků jsou zde palivové články již dobře zavedeny, ačkoli se dosud nestaly hlavním proudem v energetickém sektoru nebo v dopravě. Mnoho výrobců automobilů již představilo své koncepční automobily poháněné palivovými články. V několika městech po celém světě jezdí autobusy s palivovými články. Canadian Ballard Power Systems vyrábí řadu stacionárních generátorů v rozsahu od 1 do 250 kW. Generátory kilowattů jsou zároveň navrženy tak, aby okamžitě dodávaly jednomu bytu elektřinu, teplo a horkou vodu.

Viz také: Alternativní zdroje energie