Prostřednictvím tohoto webu hledáme historické materiály týkající se palivových článků. Stránku jsme vytvořili tak, abychom shromažďovali informace od lidí, kteří jsou s touto technologií již obeznámeni, jako jsou vynálezci, výzkumníci, výrobci, elektrikáři a obchodníci. Tato sekce Základy představuje obecný přehled palivových článků pro náhodné návštěvníky.
Co je palivový článek?
Palivový článek je zařízení, které vyrábí elektřinu chemickou reakcí. Každý palivový článek má dvě elektrody zvané anoda a katoda. Reakce, které produkují elektřinu, probíhají na elektrodách.
Každý palivový článek má také elektrolyt, který přenáší elektricky nabité částice z jedné elektrody na druhou, a katalyzátor, který urychluje reakce na elektrodách.
Základním palivem je vodík, ale palivové články vyžadují také kyslík. Velkou výhodou palivových článků je to, že vyrábějí elektřinu s velmi malým znečištěním – velká část vodíku a kyslíku používaných při výrobě elektřiny se nakonec spojí a vytvoří neškodný vedlejší produkt, totiž vodu.
Jeden detail terminologie: jeden palivový článek generuje malé množství stejnosměrného proudu (DC). V praxi je mnoho palivových článků obvykle sestaveno do stohu. Buňka nebo zásobník, principy jsou stejné.
Jak fungují palivové články?
Účelem palivového článku je produkovat elektrický proud, který může být nasměrován mimo článek, aby vykonával práci, jako je napájení elektromotoru nebo osvětlení žárovky nebo města. Vzhledem k tomu, jak se elektřina chová, se tento proud vrací do palivového článku a dokončuje elektrický obvod. (Chcete-li se dozvědět více o elektřině a elektrické energii, navštivte «Throw The Switch» na webu Smithsonian Powering a Generation of Change.) Chemické reakce, které produkují tento proud, jsou klíčem k tomu, jak palivový článek funguje.
Existuje několik druhů palivových článků a každý funguje trochu jinak. Ale obecně řečeno, atomy vodíku vstupují do palivového článku na anodě, kde je chemická reakce zbavuje jejich elektronů. Atomy vodíku jsou nyní „ionizované“ a nesou kladný elektrický náboj. Záporně nabité elektrony poskytují proud přes dráty k práci. Pokud je potřeba střídavý proud (AC), musí být stejnosměrný výstup palivového článku veden přes konverzní zařízení zvané invertor.
| Grafika Marc Marshall, Schatz Energy Research Center |
Kyslík vstupuje do palivového článku na katodě a u některých typů článků (jako je ten ilustrovaný výše) se tam spojuje s elektrony vracejícími se z elektrického obvodu a vodíkovými ionty, které prošly elektrolytem z anody. V jiných typech buněk kyslík posbírá elektrony a poté putuje elektrolytem k anodě, kde se spojí s vodíkovými ionty.
Klíčovou roli hraje elektrolyt. Mezi anodou a katodou musí procházet pouze vhodné ionty. Pokud by volné elektrony nebo jiné látky mohly projít elektrolytem, narušily by chemickou reakci.
Ať už se spojí na anodě nebo katodě, vodík a kyslík společně tvoří vodu, která odtéká z článku. Dokud je palivový článek zásobován vodíkem a kyslíkem, bude vyrábět elektřinu.
Ještě lepší je, že protože palivové články vytvářejí elektřinu spíše chemicky než spalováním, nepodléhají termodynamickým zákonům, které omezují konvenční elektrárny (viz «Carnotův limit» ve glosáři). Palivové články jsou proto efektivnější při získávání energie z paliva. Odpadní teplo z některých článků lze také využít, čímž se účinnost systému ještě zvýší.
Tak proč nemůžu jít ven a koupit si palivový článek?
Základní fungování palivového článku nemusí být těžké ilustrovat. Ale budování levných, účinných a spolehlivých palivových článků je mnohem složitější záležitost.
Vědci a vynálezci navrhli mnoho různých typů a velikostí palivových článků při hledání vyšší účinnosti a technické detaily každého druhu se liší. Mnoho možností, kterým čelí vývojáři palivových článků, je omezeno výběrem elektrolytu. Například konstrukce elektrod a materiály použité k jejich výrobě závisí na elektrolytu. Dnes jsou hlavními typy elektrolytů alkálie, roztavený uhličitan, kyselina fosforečná, membrána pro výměnu protonů (PEM) a pevný oxid. První tři jsou kapalné elektrolyty; poslední dva jsou pevné látky.
Druh paliva závisí také na elektrolytu. Některé články potřebují čistý vodík, a proto vyžadují další vybavení, jako je „reformátor“ k čištění paliva. Jiné články mohou tolerovat některé nečistoty, ale mohou potřebovat vyšší teploty, aby fungovaly efektivně. V některých článcích cirkulují kapalné elektrolyty, což vyžaduje čerpadla. Typ elektrolytu také určuje provozní teplotu článku»roztavené» karbonátové články se zahřívají, jak název napovídá.
Každý typ palivového článku má výhody a nevýhody ve srovnání s ostatními a žádný není dosud dostatečně levný a účinný, aby široce nahradil tradiční způsoby výroby energie, jako jsou uhelné, vodní nebo dokonce jaderné elektrárny.
Následující seznam popisuje pět hlavních typů palivových článků. Podrobnější informace naleznete v těchto konkrétních oblastech tohoto webu.
Různé typy palivových článků.
 Kresba alkalického článku. |
Alkalické palivové články fungují na stlačený vodík a kyslík. Obvykle používají jako elektrolyt roztok hydroxidu draselného (chemicky KOH) ve vodě. Účinnost je asi 70 procent a provozní teplota je 150 až 200 stupňů C (asi 300 až 400 stupňů F). Výkon článku se pohybuje od 300 wattů (W) do 5 kilowattů (kW). Alkalické články byly použity v kosmické lodi Apollo, aby poskytovaly elektřinu i pitnou vodu. Vyžadují však čisté vodíkové palivo a jejich platinové elektrodové katalyzátory jsou drahé. A jako každá nádoba naplněná tekutinou mohou unikat.
Tavené karbonátové palivové články (MCFC) využívají vysokoteplotní sloučeniny solí (jako je sodík nebo hořčík) uhličitanů (chemicky, CO 3 ) jako elektrolyt. Účinnost se pohybuje od 60 do 80 procent a provozní teplota je asi 650 stupňů C (1,200 2 stupňů F). Byly postaveny jednotky s výkonem do 100 megawattů (MW) a existují návrhy pro jednotky do XNUMX MW. Vysoká teplota omezuje poškození článku „otravou“ oxidem uhelnatým a odpadní teplo lze recyklovat na další elektřinu. Jejich niklové elektrodové katalyzátory jsou levné ve srovnání s platinou používanou v jiných článcích. Vysoká teplota však také omezuje materiály a bezpečné použití MCFC – pravděpodobně by byly příliš horké pro domácí použití. Při reakcích se také spotřebovávají uhličitanové ionty z elektrolytu, takže je nutné pro kompenzaci vstřikovat oxid uhličitý.
Kyselina fosforečná palivové články (PAFC) používají jako elektrolyt kyselinu fosforečnou. Účinnost se pohybuje od 40 do 80 procent a provozní teplota je mezi 150 až 200 °C (asi 300 až 400 °F). Stávající články s kyselinou fosforečnou mají výkony až 200 kW a testovány byly jednotky o výkonu 11 MW. PAFC tolerují koncentraci oxidu uhelnatého kolem 1.5 procenta, což rozšiřuje výběr paliv, která mohou používat. Pokud se používá benzín, musí být síra odstraněna. Jsou zapotřebí platinové elektrody-katalyzátory a vnitřní části musí být schopny odolat korozivní kyselině.
 Nákres toho, jak funguje jak kyselina fosforečná, tak PEM palivové články. |
Protonová membrána (PEM) palivové články pracují s polymerním elektrolytem ve formě tenké, propustné fólie. Účinnost je asi 40 až 50 procent a provozní teplota je asi 80 stupňů C (asi 175 stupňů F). Výkony článků se obecně pohybují od 50 do 250 kW. Pevný pružný elektrolyt nebude unikat ani praskat a tyto články pracují při dostatečně nízké teplotě, aby byly vhodné pro domácnosti a automobily. Jejich paliva však musí být čištěna a na obou stranách membrány je použit platinový katalyzátor, což zvyšuje náklady.
Pevný oxid palivové články (SOFC) využívají tvrdou keramickou sloučeninu oxidů kovů (jako je vápník nebo zirkonium) (chemicky, O 2 ) jako elektrolyt. Účinnost je asi 60 procent a provozní teploty jsou asi 1,000 1,800 stupňů C (asi 100 XNUMX stupňů F). Výkon článků je až XNUMX kW. Při tak vysokých teplotách není zapotřebí reformátor k extrakci vodíku z paliva a odpadní teplo lze recyklovat na další elektřinu. Vysoká teplota však omezuje použití jednotek SOFC a ty bývají spíše velké. Pevné elektrolyty sice nemohou unikat, ale mohou prasknout.
Podrobnější informace o jednotlivých typech palivových článků, včetně historie a aktuálních aplikací, lze nalézt na jejich konkrétních částech tohoto webu. Poskytli jsme také slovníček technických pojmůodkaz je uveden v horní části každé technologické stránky.
