Palivové články

ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Obsah
1. Trocha historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2. Princip činnosti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.1. Základní popis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2. Výhody palivových článků . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.3. Nevýhody palivových článků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4. Obecná konstrukce palivového článku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.5. V-A charakteristika palivového článku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3. Přehled a rozdělení palivových článků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.1. Alkalické palivové články AFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2. Membránové palivové články (PEMFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.2.1. Výhody PEMFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.2.2. Nevýhody PEMFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.2.3. Popis konstrukce PEMFC Dais (USA) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.3. Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) . . . . . . . . . . . . . .
15
3.4. Přímomethanolové palivové články (DMFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.4.1. Výhody DMFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.4.2. Nevýhody DMFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.4.3. Aplikace DMFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.5. Palivové články s roztavenými uhličitany (MCFC) . . . . . . . . . . . . .
19
3.6. Palivové články s tuhými oxidy (SOFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.6.1. Historie SOFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.6.2. Popis článku SOFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
3.6.3. Princip článku SOFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
4. Shrnutí parametrů základních typů palivových článků . . . . . . . . . . . .
24
5. Praktické využití palivových článků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
5.1. Automobilka Volkswagen – projekty s palivovými články . . . . . . . .
26
5.2. Automobilka General Motors – projekty s palivovými články . . . . .
26
5.3. Palivové články v autobusové dopravě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
6. Závěr práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
7. Odkazy na použitou literaturu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-2-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
1
Semestrální projekt – palivové články
Historie palivového článku
Princip palivového článku byl objeven už v roce 1838 Christianem Friedrichem
Schönbeinem. První funkční článek byl sestrojen sirem Williamem Robertem Grovem v roce
1839.
Obr. 1: Sir William Robert GROVE
Sir Grove byl anglický soudce, vědec a vynálezce. Jeho palivový článek měl platinové
elektrody umístěné v převrácených skleněných trubičkách naplněných kyslíkem a vodíkem,
jejichž dolní konec byl ponořen do roztoku kyseliny sírové (elektrolytu). Napětí takového
článku činilo 1V.
Obr. 2: Groveův palivový článek
Termín „palivový článek“ byl poprvé použit až v r. 1889 německým chemikem a
průmyslníkem Ludwigem Mondem a jeho anglickým pomocníkem a chemikem Charlesem
Langerem.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-3-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Již v roce 1886 byl ve Francii zkonstruován automobil, k jehož pohonu bylo použito
palivových článků. Tento projekt byl ojedinělý, jeho další vývoj však ustrnul. V r. 1932
vyvinul britský vědec Dr. Francis Thomas Bacon první funkční zařízení s kyslíko-vodíkovým
palivovým článkem s niklovými elektrodami. Kyselý elektrolyt nahradil zásaditým (KOH),
odstranil tím korozivní účinky elektrolytu.
Obr. 3: Dr. Francis Thomas BACON
Následujících 20 let Dr. Bacon testoval palivové články s elektrolytem na bázi vodného
roztoku KOH. V roce 1952 sestrojil tým Dr. Bacona 5 kW systém s palivovým článkem,
jehož elektrolyt obsahoval 45% KOH. Pracovní teplota článku byla 200÷240 °C a tlak 40÷55
atm. Napětí elementárního článku byla 0,78 V a proudová hustota elektrod 800 mA*cm-2.
Obr. 4: Dr. Bacon v laboratoři
Až teprve kolem roku 1960 došlo ke vzkříšení výzkumu palivových článků. Důvodem
tohoto zájmu byly požadavky na různá zařízení potřebná pro výzkum vesmíru, především šlo
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-4-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
o nezávislé zdroje energie pro družice a satelity. V té době NASA používá palivové články
sestrojené firmou Pratt and Wittney. Jde především o vesmírné projekty Gemini a Apollo.
Vesmírný modul Apollo nesl 3 jednotky palivových článků, přičemž každá jednotka
obsahovala 31 sériově spojených elementárních palivových článků. Hmotnost systému byla
100 kg. Průměrný elektrický výkon činil 0,6 kW při napětí 27 ÷ 31 V. Elektrolytem byl 85 %
KOH při provozní teplotě 260 °C.
Obr. 5: Systém palivových článků použitý v projektu Apollo
Obr. 6: Práce na palivovém systému projektu Apollo
Následujících dvacet let výzkumu přineslo řadu úspěchů a v jejich důsledku se začaly
objevovat nepřiměřeně optimistické prognózy o budoucím masovém rozšíření prakticky ve
všech průmyslových odvětvích, dokonce i o úplném vytěsnění klasických baterií u některých
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-5-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
aplikací. S rostoucími nároky na technologie výroby a na materiály tento optimismus poněkud
uvadal. Ukazuje se, že palivové články nelze především z cenových důvodů stále ještě počítat
k běžně dostupným zdrojům energie. Jejich význam však s časem roste. Hlavními důvody
jsou především relativně vysoká účinnost přeměny energie a kladný dopad na životní
prostředí. Značné množství firem a pracovišť vynakládá nemalé množství prostředků na jejich
další výzkum.
Obr. 7: Srovnání účinností různých systémů výroby elektrické energie
2
Obecný princip činnosti palivového článku
Obecný princip palivového článku spočívá v přivádění aktivního materiálu (paliva) na
zápornou tzv. palivovou elektrodu, kde oxiduje a uvolněné elektrony se prostřednictvím
vnějšího obvodu pohybují ke kladné elektrodě. Palivem může být jakákoliv látka schopná
okysličování. Jako plynná paliva se používají vodík, některé uhlovodíky, oxid uhelnatý nebo
hydrazin N2H4. Z kapalných látek lze použít metanol CH3OH nebo jiné alkoholy. Z pevných
látek lze použít některé kovy (sodík, hořčík, zinek, kadmium). Na kladné elektrodě probíhá za
účasti okysličovadla redukce. Jako okysličovadlo se nejčastěji používá kyslík nebo vzdušný
kyslík. Další možností je okysličování chlorem nebo oxidy určitých kovů (oxid rtuťnatý, oxid
manganičitý atd.). Při přerušení vnějšího obvodu dojde k okamžitému zastavení redukce na
kladné elektrodě díky nedostatku elektronů a tím i k zastavení celé reakce.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-6-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
2.1
Semestrální projekt – palivové články
Základní popis
Palivový článek produkuje elektrickou energii na základě elektrochemických reakcí. Lze
tedy mluvit o elektrochemickém zdroji elektrické energie. Na rozdíl od klasických
elektrochemických zdrojů – baterií však aktivní látky nejsou součástí anody a katody, jsou
k nim průběžně dodávány zvnějšku. Obě elektrody pak působí pouze jako katalyzátory
chemických přeměn. Opotřebování a změny chemického složení obou elektrod je
zanedbatelné. U palivového článku nedochází k samovybíjení. Při kontinuálním přivádění
aktivních látek může článek pracovat prakticky stále, tj. bez časového omezení. Pojem
elektrické kapacity zde ztrácí smysl. Jako charakteristický ukazatel vlastností se používá
proud nebo výkon odebíraný z 1 cm2 elektrod, popřípadě měrný výkon [W/kg] nebo také
objemový výkon [W/m3].
Vyrábějí se v širokém rozsahu velikostí od malých článků pro napájení počítačů,
radiových vysílačů apod. až po velké články a jejich skupiny určené pro elektrárny o
výkonech řádu MW. Vyšší napětí získáváme sériovým řazením článků ve tvaru sendviče.
2.2
Výhody palivového článku
K výhodám palivových článků patří jistě:
•
vysoká životnost (výrobci udávají desetitisíc hodin),
•
nepřítomnost pohyblivých částí, tichý chod,
•
schopnost snášet značná přetížení (550 % po několik minut a 800% přetížení po
dobu několika sekund), vynikající dynamická odezva,
•
lze je využít pro kombinované systémy ohřevu a výroby elektřiny,
•
modulární koncepce.
2.3
Nevýhody
palivových
Nevýhody palivového článku
článků
vycházejí
ze
skutečnosti,
že
mohou
pracovat
v dlouhodobém nepřetržitém provozu. Jde především o:
•
vodík je velmi reaktivní prvek Æ problémy s bezpečností,
•
nutnost kontinuálně odstraňovat zplodiny chemických reakcí, jejichž množství
závisí na velikosti odebíraného proudu (u článku na bázi H2 – O2 jde o
odčerpávání vody, u jiných článků jde o jiné produkty oxidace),
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-7-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
•
Semestrální projekt – palivové články
udržení optimální teploty a tlaku aktivních médií (použití výměníků tepla u článků
s elektrolytem s KOH),
•
velké investiční náklady,
•
uvedení baterie do provozu – trvá několik minut a baterie se během této doby
ohřívá, a to přímo – dodávaným proudem nebo teplem z vnějšího zdroje.
Z výše uvedeného je vidět, že řádný provoz mnoha palivových článků se prodražuje díky
nutné přítomnosti dalších pomocných zařízení s automatickou regulací pro bezpečný a
správný chod zařízení. Jako jistou nevýhodu lze brát i fakt, že proud i výkon odebíraný z 1
cm2 aktivního povrchu elektrod není příliš velký (podle výrobců desetiny A, případně
desetiny W). Za účelem vyšších proudových odběrů jsou proto články velice často
vybavovány několika kladnými i zápornými elektrodami zapojenými paralelně.
2.4
Obecná konstrukce palivového článku
Článek se skládá z elektrod, elektrolytu a separátoru. Elektrolyt musí být iontově vodivý.
Většina vyráběných palivových článků je založena na chemické reakci mezi vodíkem a
kyslíkem (reakce je inverzní k hydrolýze vody, kdy se voda rozkládá na plynný vodík a
kyslík). Obvykle se vodík za přítomnosti kyslíku spaluje. Doprovodnými jevy jsou zde vznik
vody, tepla, světla a někdy i zvuku. Probíhající chemickou reakci lze zapsat takto:
2 H 2 + O2 → 2 H 2 O
V palivovém článku dochází prakticky ke stejné reakci jen s tím rozdílem, že se místo
světla a tepla produkuje elektrická energie. Tohoto jevu můžeme dosáhnout tak, že přivedeme
vodík na zápornou elektrodu a kyslík na kladnou elektrodu. Napětí naprázdno takovéhoto
článku je přibližně 1,1 V. Pokud je palivem článků jiná látka, např. methanol, reakce je pak
zcela jiná, je vyjádřená sumární rovnicí:
2CH 3OH + 3O2 → 4 H 2 O + 2CO2
Palivem může být látka jak kapalná, tak i plynná. Okysličovadlem je však téměř vždy
plyn. Záporná elektroda musí být uzpůsobena skupenství přiváděného paliva. Pokud je
palivem plyn, musí na ní být co nejvíce míst, kde se setkává fáze pevná (elektroda
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-8-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
s katalyzátorem), kapalná (elektrolyt) a plynná (palivo). Tato místa jsou tvořena systémem
pórů a kapilár vznikajících během výroby lisováním jednotlivých vrstev elektrody z materiálů
s určitou velikostí zrn nebo obsahují snadno rozpustné materiály, po jejichž odplavení
vznikají ve strukturách elektrody další dutinky. Během činnosti článku jsou póry vyplněny
plynem a kapiláry elektrolytem. Tyto elektrody jsou většinou kovové a říká se jim difúzní.
Další možností je úprava vnitřní struktury pórů smáčením v organickém polymeru (tzv.
hydrofobizace pórovité elektrody). Stěny pórů pak mají rozdílnou snášivost vůči elektrolytu,
takže některé póry elektrolyt přijmou, v jiných se drží plynné palivo. Tohoto se užívá zejména
u uhlíkových elektrod. Je-li palivem kapalina, pracují elektrody pouze s pevnou a kapalnou
fází. Jemná porézní struktura tedy ztrácí význam, rozhodujícím faktorem je velikost aktivního
povrchu. Palivo se k elektrodě přivádí rozpuštěné v elektrolytu. Záporná elektroda je od
kladné oddělena separátorem, který propouští pouze některé ionty.
2.5
V-A charakteristika palivového článku (polarizační
charakteristika)
Tvar voltampérové charakteristiky je ovlivněn několika jevy:
•
aktivační polarizace – způsobena pomalostí reakce na povrchu elektrod,
•
průchod paliva elektrolytem a vnitřní proud – způsoben průchodem
nezreagovaného paliva a elektronů elektrolytem,
•
ohmická polarizace – způsobena elektrickým odporem toku elektronů přes
materiál elektrod a dalších elementů a propojení uvnitř palivového článku,
•
koncentrační polarizace (přeprava hmoty) – způsobeno změnami v koncentraci
reaktantů na povrchu elektrod při využívání paliva.
Parametry reakčních plynů ovlivňují tvar polarizační charakteristiky (všechny její části).
Výkon palivového článku se mění se změnou tlaku, teploty, vlhkosti a poměrného zastoupení
složek reakčních plynů. Změnou těchto veličin dochází k poklesu nebo nárůstu polarizační
charakteristiky.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
-9-
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Obr. 8:V-A charakteristika palivového článku
A – oblast aktivační polarizace, B – oblast ohmické polarizace, C – oblast koncentrační
polarizace, D – provozní rozsah palivového článku
Obr. 9: Změna tvaru polarizační křivky vlivem změny parametrů reakčních plynů
A – nárůst polarizační charakteristiky, B – pokles polarizační charakteristiky
3
Přehled a rozdělení palivových článků
Základní typy palivových článků se odlišují především druhem materiálu použitého
elektrolytu. Konstrukce elektrod se v některých případech téměř shoduje, v některých je velmi
odlišná. Podle elektrolytu rozlišujeme tyto typy palivových článků:
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 10 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
•
alkalické AFC (Alcaline Fuel Cells)
•
membránové (s tuhými polymery) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel
Cells)
•
kyselé s (HPO3) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells)
•
přímé metanolové DMFC (Direkt Methanol Fuel Cells)
•
s tavenými karbonáty MCFC (Molten Carbonates Fuel Cells)
•
s pevnými oxidy SOFC (Solid Oxides Fuel Cells)
3.1
Alkalické palivové články (AFC)
Jedná se článek nízkoteplotní (rozsah pracovních teplot je 60 – 100 °C), musí být tudíž
povrch elektrod pokryt silnou vrstvou platiny sloužící jako katalyzátor. Při styku vodíku
s katalyzátorem dojde u povrchu protonové membrány k reakci, při které dochází k rozdělení
molekul vodíku na kladné ionty H+ a záporné elektrony e-. Toto je hlavní příčinou vysoké
ceny těchto článků. Další nevýhodou je reakce hydroxidu draselného (KOH) přítomného
v elektrolytu se vzdušným oxidem uhličitým (CO2), při které vzniká uhličitan draselný
(K2CO3). Tento nechtěný produkt postupně degraduje vlastnosti elektrolytu a také zanáší póry
elektrod. Proto musí být jako oxidační činidlo přiváděn čistý kyslík. Provoz článku se tím
samozřejmě dále prodražuje.
Při chemických reakcích v alkalickém článku s roztokem KOH jsou nejdůležitější složkou
aniony OH-, kterých je v roztoku nadbytek. S těmito anionty reaguje na anodě přiváděný
vodík, a to podle rovnice
2 H 2 + 4OH − → 4 H 2 O + 4e − .
Uvolněné elektrony putují vnějším obvodem ke katodě, zde pak reagují s přiváděným
kyslíkem a vodou dle rovnice
O2 + 2 H 2 O + 4e − → 4OH − .
Anionty OH- pronikají elektrolytem a pohybují se dále k anodě. Z rovnic lze vysledovat,
že voda se na anodě produkuje dvakrát rychleji, než se na katodě spotřebovává. U některých
typů článků je tomu naopak.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 11 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Elektrická účinnost tohoto typu článku je 45 až 60 %. Můžeme zde pracovat s výkony do
20 kW. Jako palivo se používá čistý vodík. Článek je však citlivý na čistotu vodíku i kyslíku.
Z tohoto důvodu je jeho použití omezeno na aplikace, ve kterých je k dispozici elektrolyticky
získaný vodík a kde nerozhodují náklady na jeho získávání.
Konkrétní použití našly především v zařízeních pro kosmický výzkum (Gemini, Apollo,
Shuttle), dále pak na lodích a v ponorkách. Možnosti jejich využití jsou velmi široké, avšak
jejich vysoká cena zužuje rozsah použití na oblasti se zajištěným financováním. Trh s těmito
zařízeními je velmi omezený.
3.2
Membránové články (články s tuhými polymery)
(PEMFC)
Použití článků tohoto typu je univerzální, velice slibné se jeví jejich použití jako zdroje
energie pro různé typy vozidel. Je to nízkoteplotní článek, pracuje při teplotách nižších než
článek alkalický (20 – 80 °C). Nutností je zde opět povlak elektrod (platina nebo nikl), který
působí jako katalyzátor reakce. V současnosti díky vývoji technologií lze využít elektrody jen
se slabou vrstvou platiny, což má zásadní vliv na cenu, jenž klesla na přiměřenou úroveň.
Nejintenzivnější výzkum je prováděn u elektrolytů typu PEM. Jedním z hlavních výrobců a
zároveň také významných vývojářů těchto článků je firma Ballard Power Systems v Kanadě.
Bližším informací o této významné společnosti bude dále věnována celá kapitola. Dalším
významným výrobcem a rovněž vývojářem je americká společnost ReliON, od které pochází i
článek umístěný v laboratoři ČVUT FEL.
Elektrolyt (dříve se používal výrobek koncernu Dupot pod označením Nafion,v
současnosti se vyvíjí i nové varianty) je polymerní membrána dovolující průchod jen
pohyblivým iontům H+, které mají hlavní úlohu v probíhajících reakcích článku. Na anodu je
přiváděn plynný vodík podle rovnice
2 H 2 → 4 H + + 4e − .
Z vodíku, který se dostane na katalyzátorovou vrstvu, se uvolní elektrony. Tyto uvolněné
částice projdou vnějším elektrickým obvodem a jsou poté přivedeny na katodu. Kationy H+
rovněž dosáhnou katody, ale pohybem v elektrolytu. Na katodě dochází k reakci elektronů
přicházejících z vnějšího obvodu, vodíkových kationů a kyslíku jako oxidačního činidla.
Výslednými odpadními produkty jsou voda a teplo. Reakci lze popsat rovnicí
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 12 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
4 H + + 4e − + O2 → 2 H 2 O.
Vodík může být do článku dodáván přímo v čisté podobě nebo jako součást sloučeniny, ze
které se získává pomocí chemických katalytických reakcí. Během těchto reakcí dochází
k uvolňování vodíku z uhlovodíků (zemní plyn, methan, methanol, ethanol, čpavek).
Obě elektrody musí splňovat řadu důležitých kritérií:
•
dobrá katalytická aktivita při nízkých teplotách za přítomnosti minima drahých
kovů (např. platina),
•
vysoká poréznost, která umožňuje efektivní transport kyslíku ke katodě,
•
dobrá iontová vodivost na rozhraní elektroda – membrána,
•
dobrá hydrofobicita v okolí katalyzátoru, která zabraňuje pronikání vody různými
nečistotami do pórů.
Obr. 10: Princip palivového článku s polymerní membránovou elektrodou PEMFC
A – katoda, B – iontoměničná membrána, C – anoda, Z – vnější elektrická zátěž
Ideální elektrody by měly umět využívat okolní vzduch k získávání kyslíku. Měly by také
účinně pracovat při dané teplotě a tlaku, tzn. že by neměly vyžadovat vnější zdroj tepla, dále
by měly pracovat i bez zvlhčování přiváděných plynů. Tyto nároky přibližně splňují porézní
uhlíkové elektrody potažené vrstvou platiny (0,5 mg/cm3). Hustota elektrického výkonu na
jednotku plochy bývá 0,3 W/cm2 i více. Z tohoto důvodu se používají při konstrukci
elektromobilů (EV – electrovehicles). Konstruují se s výkony do 250 kW, nejčastěji v tzv.
sendvičovém provedení.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 13 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Obr. 11: Systém uspořádání elementárních článků v souboru (včetně katalyzátorů)
I tyto články jsou citlivé na čistotu dodávaného vodíku. Nečistoty v palivu nepříjemně
snižují účinnost článku.
3.2.1 Výhody PEM FC:
•
odolné vůči obsahu CO2,
•
nízká provozní teplota (bezpečnost, krátký rozběh),
•
pevný a nekorozivní elektrolyt,
•
vysoké napětí palivového článku, vysoká proudová a výkonová hustota,
•
nízký provozní tlak,
•
jednoduchá konstrukce.
3.2.2 Nevýhody PEM FC:
•
citlivost na obsah CO a S,
•
drahé platinové katalyzátory,
•
drahá a křehká membrána.
3.2.3 Popis konstrukce palivového článku s pevným polymerem firmy DAIS (USA)
Článek se vyrábí ve tvaru mnohavrstvého sendviče složeného z dílčích článků. Každý
dílčí článek se skládá se dvou elektrod oddělených membránou z pevného polymeru. Celý
spojené dílčí články jsou pak vloženy do pouzdra, jehož součástí je také nádrž s vodíkem a
řídicí jednotka. Řídicí jednotka zajišťuje především spouštění a ukončení výroby elektrické
energie.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 14 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Dílčí článek má hmotnost asi 60g, 10 W palivový článek váží bez palivové nádrže a
regulátoru přibližně 0,65 kg. Hmotnost kompletního článku (s nádrží a regulátorem) je pak
cca 1,7 kg. Při teplotě vzduchu 30°C, napětí 7-10V na dílčí článek a 40 l nádrže na palivo
dokáže být článek 12 hodin provozu. Životnost je okolo 2500 hodin při odběru maximálního
proudu.
3.3
Palivové články s kyselinou fosforečnou HPO3 (PAFC)
Tyto články nesou označení teplé články. Rozsah jejich pracovních teplot je 170 – 250 °C.
Jejich technologie je v současnosti velmi dobře zvládnutá. Elektrolytem je koncentrovaná
kyselina fosforečná v pórovité mřížce karbidu křemičitého (iontoměničná membrána). Ve
většině článcích je jako palivo na anodovou část článku přiváděn methan (např. Fuell Cells
Corp. v USA – 200 kW s použitím jako lokální zdroje energie pro skupiny domácností) a na
katodovou část je přiváděno okysličovadlo. Methan CH4 je nutno zpracovat na procesní plyn
s cca 80% obsahem vodíku. Energetická účinnost základního článku je poměrně nízká (42 %),
lze však zvýšit recyklací odpadové páry jakožto vedlejšího produktu reakce až na 80 %.
Tato zařízení jsou vhodná pro budování blokových kogeneračních elektráren, kde se
využívá i odpadní provozní teplo. Vyvinuté teplo lze rovněž využít pro ohřev užitkové vody
nebo pro vytápění domácností.V Japonsku je např. kogenerační elektrárna s výkonem 11
MW. Cena takto vyrobené energie je však dosti vysoká. Chemické reakce uvnitř článku jsou
prakticky totožné s reakcí uvnitř PEMFC.
Při provozu musíme doplňovat elektrolyt, který z mřížky uniká. Při nesprávně zvolené
pracovní teplotě dochází k rozkladu elektrolytu nebo k pohlcování vodní páry a to elektrolyt
degraduje. Jednotka je schopna naběhnout do 3 hodin. Tyto články řadíme mezi
nejspolehlivější, hlavně, jde-li o zdroje s většími výkony (od 50 kW do 10 MW).
3.4
Přímé methanolové články (DMFC)
Jako palivo se zde používá metanol. Princip je dosti podobný principu PEM článků. Na
anodu se přivádí vodný roztok methanolu. Ionty vodíku vzniklé anodovou oxidací prostupují
membránou (nejčastěji Nafion) ke katodě, kde za přísunu oxidačního činidla (kyslík) redukují
na vodu. Na anodě se z molekuly methanolu odtrhávají volné elektrony, které jsou na katodu
přiváděny vnějším obvodem. Vznikají tak vodíkové kladné ionty, které ke katodě tečou přes
iontoměničnou membránu a uvolňuje se plynný oxid uhličitý. Ke konečné oxidaci na anodě
však nedochází přímo, ale přes několik reakčních mezistupňů. Tyto mezistupně výrazně
zpomalují průběh reakce. Oxidace metanolu je oproti oxidaci vodíku pomalejší, a to má za
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 15 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
následek nižší svorkové napětí metanolového článku.. Reakce na katodě je velmi podobná
katodické reakci u článků PEM.
Je to článek nízkoteplotní, rozsah pracovních teplot je 20 – 130 °C. Elektrická účinnost se
pohybuje okolo 40 %. Články řadíme do nižší výkonové skupiny – jejich výkon je do 10 kW.
Oxidace metanolu u DMFC je oproti oxidaci vodíku pomalejší. Je to způsobeno tím, že
metanol není oxidován přímo, ale přes několik reakčních mezistupňů, z nichž některé limitují
celkovou rychlost oxidace. Při jednotlivých mezistupních vznikají skupiny jako COH, COOH,
CO, které se adsorbují na katalyzátor (platinová čerň, Pt) snadněji než vodík a blokují tak jeho
další adsorbci. Z toho důvodu se přidává do anodové vrstvy kokatalyzátor rutenium (Ru). Ru
napomáhá další oxidaci uhlíkatých skupin na CO2, který jako plyn uniká z katalytické vrstvy.
Pro DMFC byl stanoven nejvýhodnější atomární poměr obou katalyzátorů Pt/Ru 1:1.
Katalytické vrstvy pro anody DMFC se liší tedy od PMFC především tím, že se používá
Pt/Ru čerň místo samotné Pt.
Obr. 12: Princip palivového přímomethanolového článku DMFC
A – katoda, B – iontoměničná membrána, C – anoda, Z – vnější elektrická zátěž
3.4.1 Výhody DMFC:
•
nepracuje se zde s velkými tlaky (jako u článků s plynným palivem),
•
je zde vyloučen únik plynného paliva,
•
pracuje i při pokojových teplotách.
3.4.2 Nevýhody DMFC:
•
methanol je jedovatý,
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 16 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
•
vlivem zpomalení oxidační reakce má oproti PEMFC nižší svorkové napětí,
•
platinový katalyzátor – vysoká cena.
Zásadní vliv na chování článku mají části tzv. membránové elektrody. Jde o
iontoměničnou membránu, katalytickou vrstvu a difúzní vrstvu. Uspořádání vrstev je na
obrázku.
Iontoměničná membrána plní funkci elektrolytu s kladnou iontovou vodivostí (H+). Je to
polymerní membrána s funkčními řetězci kyseliny na bázi S-F.
Nejrozšířenější jsou
membrány s obchodním názvem Nafion (silnější typ s označením 117 a slabší 112).
Nedostatkem, který zatím nebyl zcela odstraněn, je prosakování metanolu od anody přes
membránu ke katodě. Průsak na katodě způsobuje zablokování katalyzátoru. Rozsah průsaku
je do jisté míry úměrný velikosti odebíraného proudu. Na konstrukcích s co nejnižším
průsakem se stále pracuje. Membrána se nesmí vystavovat teplotám vyšším než 130 °C. Toto
je také limitní faktor provozu článku typu DM
V katalytické vrstvě probíhá elektrochemická reakce. Je to mikroporézní struktura
skládající se z katalyzátoru (Pt + Ru) a elektrolytu (fáze Nafionu). Katalyzátor může být
použit samostatně – bez nosného substrátu (unsupported catalyst) nebo s uhlíkovými sazemi
jako nosným substrátem (supported catalyst). Bezsubstrátové katalytické vrstvy jsou tlustší
než substrátové.
Difuzní vrstva plní hned několik funkcí. Především zajišťuje dopravu paliva a oxidačního
činidla ke katalytické vrstvě, odvádí produkty z reakcí na elektrodách, zprostředkovává
elektrickou vodivost. Je vyrobena z uhlíkové tkaniny impregnované teflonem.
Obr. 13: Uspořádání membránových elektrod “Membrane electrode assembly MEA“
A – elektrody, B – difuzní vrstva, C – katalytická vrstva, D – iontoměničná membrána
Nafion 117
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 17 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
3.4.3 Aplikace DMFC
•
Stacionární aplikace – tam kde není elektrický rozvod a kde by případné
vybudování rozvodů bylo příliš nákladné
•
Mobilní aplikace – v současnosti existují i automobily s články DMFC, větší
perspektivu však má jejich využití ve spotřební elektronice při napájení mobilů,
mp3 přehrávačů, PDA, notebooků. Např. firma Toshiba již předvedla několik typů
mp3 přehrávačů napájených DMFC, dále pak notebooky a PDA napájeny rovněž
DMFC. Firma Antig Technology plánuje během roku 2007 uvést do prodeje
nabíječku mobilů a notebooků s článkem DMFC. Velkému rozmachu napájení
elektrotechnických zařízení palivovými články DMFC brání několik ne zcela
vyřešených problémů. Jedním z problémů je také používání palivových článků
v letadle.
Obecně lze říci, že se tyto články používají jako přenosné zdroje elektrické energie, a to
především pro elektronická zařízení.
Problémem při realizaci nízkoteplotního palivového článku je použití katalyzátoru, který
je ovšem nutností. Nejlepším katalyzátorem je tzv. platinová čerň, což jsou drobné platinové
částečky s velkým aktivním povrchem a porozitou, čehož je dosaženo speciálním
zpracováním. Tento materiál je nutno nakupovat od zahraničních výrobců a je nutno
akceptovat jejich ceny, které jsou v současnosti velmi vysoké. Použití levnější materiálové
náhrady je v kombinaci s Nafionovou membránou téměř vyloučeno. Cena tohoto katalyzátoru
je přibližně 4500,-Kč/g. Palivový článek DMFC s typickými parametry o výkonu 600 W
potřebuje okolo 110 g platiny, v případě vodíkového článku PEM by toto množství stačilo pro
zdroj o výkonu 2000 W. Pouze cena platiny pro katalyzátor zde činí okolo 500.000 Kč! Cena
energie získané z vodíkových PEM článků je srovnatelná s cenou energie z akumulátorů
standardně používanou v mobilních telefonech, notebookách apod. U přímomethanolových
DM článků je cena za jednotku energie o dost vyšší. Výhoda v použití palivových článků ve
výše uvedených druzích spotřební elektroniky spočívá v jejich prakticky okamžitém dobití,
kdy se pouze vymění kazeta, popř. patrona s palivem, kdežto běžný akumulátor se musí
elektricky dobíjet po dobu řádově hodin.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 18 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
3.5
Semestrální projekt – palivové články
Palivový článek s roztavenými uhličitany (MCFC)
Tento vysokoteplotní článek pracuje při teplotách 600 – 650 °C. Tato relativně vysoká
teplota je potřeba k tomu, aby se dosáhlo potřebné vodivosti elektrolytu sestávajícího
z roztavených uhličitanů draslíku a lithia v matrici z tuhé směsi oxidů lithia a hliníku. Díky
takto vysoké teplotě zde není zapotřebí katalyzátor na elektrodách, který zajišťuje průběh
reakcí u nízkoteplotních a teplých článků tím, že upraví přiváděné palivo na palivo s vysokým
obsahem vodíku. U MCFC je tato přeměna provedena uvnitř zásobníku článku.
Na čistotu paliva zde neplatí tak přísné podmínky jako u článků nízkoteplotních, odpadá
tedy předúprava paliva. Lze tak použít i méně čisté plyny jako bioplyn, uhelný plyn, zemní
plyn či skládkový plyn. Plyn přivedeme na anodu, kde vodík, který se při vysoké teplotě
uvolnil z paliva i bez pomoci katalyzátoru reaguje s uhličitanovými ionty CO32- z elektrolytu
za vzniku vodní páry, CO2 a elektronů. Tento proces, kdy se palivo přeměňuje uvnitř článku a
bez katalyzátoru nazýváme “internal reforming“.
Chemická reakce na anodě je popsána rovnicí
H 2 + CO32− → H 2 O + CO2 + 2e −
a na katodě pomocí rovnice
1
O2 + CO2 + 2e − → CO32− .
2
Výsledná reakce v článku pak bude mít tvar
1
H 2 + O2 + CO2 (katoda) → H 2 O + CO2 (anoda),
2
anionty CO32- přitom pronikají elektrolytem k anodě.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 19 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Obr. 14: Princip palivového článku s roztavenými uhličitany MCFC
A – sběrače proudu, B – anoda (porézní nikl s přísadou chromu), C – matrice ze směsi oxidů
hliníku a niklu např. LiAlO2 s elektrolytem z LiCO3 a KCO3 ,D – katoda (porézní nikl
s příměsí lithia)
V rovnovážném stavu je napětí článku závislé jen na parciálních tlacích H2, O2 a H2O.
Většinou CO2 generovaný na anodě přivádíme zpět na katodu, kde je znovu spotřebováván, je
však také třeba dále zajistit i nezávislý zdroj tohoto plynu. Technologicky nejpalčivější
problém je návrh elektrod, které musí odolávat velmi agresivnímu prostředí a vysokým
teplotám, pře kterých článek pracuje. Takovéto prostředí vyvolává korozi s podstatně snižuje
životnost článku. Elektrody musí v tomto prostředí pracovat spolehlivě po dlouhou dobu.
Vědci se proto snaží vyvíjet stále dokonalejší materiály pro zlepšení odolnosti proti tak
agresivním podmínkám.
Anoda bývá obvykle vyrobena z porézního niklu s přísadou chromu, katoda pak
z porézního oxidu nikelnatého s příměsí lithia. Roztavený elektrolyt se nachází v matrici ze
směsi oxidů hliníku a lithia (např. LiAlO2).
Články tohoto typu dosahují účinností 45 – 60 %, při využití odpadního tepla lze
dosáhnout účinnosti až 85%. Nejčastěji se využívají jako kogenerační jednotky o výkonu od
stovek kW do jednotek MW.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 20 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Výhody MCFC:
•
Jsou odolné proti nečistotám v palivu, jako palivo lze použít zemní plyn,
•
není zapotřebí drahý katalyzátor,
•
při využití odpadního tepla lze dosáhnout účinnosti skoro 85 %.
Nevýhody MCFC:
•
krátká životnost vlivem agresivního korozního prostředí a vysoké teploty,
•
dlouhá doba náběhu – až 24 hodin.
Historie MCFC sahá až do konce padesátých let 20. století, kdy s nimi začali na
laboratorní úrovni experimentovat dánští vědci Broers a Ketelaar. V šedesátých letech se na
vývoji podílela největší měrou americká armáda a v sedmdesátých letech byl vývoj MCFC
předán do soukromého sektoru. V dnešní době je ve světě aktivních více než 100 souborů
s články s výkony většími než 250 kW. K větším projektům patří experimentální elektrárna v
Santa Clara postavená v roce 1996 o celkovém výkonu 2 MW, jejíž elektrická účinnost se
blíží 60 %, dále pak projekt Kirin Brewery plant v Japonsku, 1 MW elektrárna ve městě
Renton ve státě Washington a další.
3.6
Palivový článek s pevnými oxidy (SOFC)
3.6.1 Historie SOFC
Technické kořeny sahají SOFC sahají až do roku 1930, kdy švýcarský vědec Emil Bauer a
jeho kolega H. Preis experimentovali se zirkoniem, ytriem, lanthanem a ještě dalšími prvky
jako s elektrolytem. Koncem 50. let 20. století začala společnost Westinghouse provádět
pokusy se směsmi zirkonia. V menším rozsahu se na výzkumu palivových článcích s pevnými
oxidy podíleli také výzkumní vědci z Holandska, dále pak společnosti Consolidation Coal
Company z Pennsylvánie a General Electric z New Yorku. Většina výzkumu však byla
bohužel krátkodobá, především z důvodu četných technických překážek týkajících se hlavně
velkého elektrického odporu, tavení částí článku, zkraty uvnitř článku apod.
Největší podíl na výzkumu měla společnost Westinghouse Electric Corporation, která
vytrvala ve vývoji válcového článku s pevnými oxidy a v roce 1962 získala jeden z prvních
kontraktů nově vzniklého Úřadu uhelného výzkumu na vytvoření studie palivového článku
používajícího oxidy zirkonia a oxidy vápníku. V roce 1976 Správa energetického výzkumu a
vývoje zadala Výzkumnému a vývojovému programu a společnosti Westinghouse vývoj
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 21 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
válcového palivového článku s tuhými oxidy do finální podoby. Celá 80. léta experimentovali
ve Westinghouse s podobou válcového SOFC. Začali stavět krátké články založené na
pórovitém válcovém nosiči (PST). Byly prováděny demonstrace na 400W článku. V
devadesátých letech odkoupila společnost Siemens AG Power Generation projekt od firmy
Westinghouse. Na konci 90.let se vývojem ustálily doby života článku, výkon i komerční
životaschopnost. Dlouhé vzduchové elektrody (AES) postupně vytlačily porézní nosiče (PST)
a vedení společnosti dalo spolu s americkým ministerstvem pro energii souhlas pro komerční
využití SOFC. Přelom století přinesl nynější úspěšné komerční prototypy 150cm článků např. 100kW kogenerační systém fungující v Holandsku a Německu po dobu více než 20.000
hodin. Vynikající jsou také výsledky při sledování poklesu svorkového napětí s narůstajícími
teplotními cykly.
V současnosti Siemens Power Generation vyvíjí v rámci programu SECA zploštělý SOFC
článek s názvem HPD Cell-Delta 9. Nejvýkonnější kogenerační systémy založené na SOFC
mají výkony až řádově jednotky MW.
Obr. 15: 250kW systém na výrobu elektřiny a tepla na bázi SOFC od korporace
Siemens Westinghouse (pracuje s atmosférickým tlakem)
3.6.2 Popis článku
Články SOFC se v mnoha ohledech od ostatních článků liší. Především tím, že anoda,
katoda i elektrolyt jsou vyrobeny výhradně z pevných materiálů keramické povahy. Díky
těmto materiálům můžeme článek provozovat při teplotách až 1050 °C, což je významně více,
než u všech ostatních typů článků. Odpadní teplo vznikající při chodu SOFC je ideální k
dalšímu využití - kogeneraci. Drtivá většina aplikací s SOFC je zároveň producentem tepelné
energie. Kogenerací zvyšujeme celkovou energetickou účinnost článku až k hodnotám
převyšujícím 65 %. Mohou být uspořádány válcově nebo planárně pomocí plochých desek.
Ze všech vyzkoušených oxidových materiálů se pro elektrolyt nejvíce osvědčil (a je také
nejvíce používán) zirkon dotovaný yttriem. Tento oxid usnadňuje transport iontů kyslíku
elektrolytem. Jako materiál elektrod se v současnosti používá specielně upravených slitin
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 22 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
některých kovů a jejich oxidů (Ni, Cr apod.), je však ještě stále zdokonalován problém
související s jejich porézností a iontovou vodivostí na rozhraní elektroda-tuhý elektrolyt.
Pracovní teplota článku je 600-1050 °C. Skládá se z palivové a vzduchové elektrody a
separátoru. Častější je válcové uspořádání článku, kdy je středem válce přiváděn vzduch a
palivová elektroda je při povrchu válce. Vodíkové palivo většinou není přímo dostupné, je
tedy třeba dostupnější palivo, jako třeba CH4 rozložit na CO2 a vodík. U tohoto
vysokoteplotního článku dochází k rozkladu (reformě) CH4 uvnitř článku, není tedy třeba
samostatné jednotky pro separaci vodíku. Investiční náklady snižuje i fakt, že vysoké teploty
podporují kinetiku probíhajících reakcí, na elektrodách pak není třeba platinové katalytické
vrstvy. Na druhou stranu s sebou vysoké teploty přinášejí omezení s ohledem na výběr
vhodných materiálů.
3.6.3 Princip činnosti SOFC
Na zápornou elektrodu přivádíme palivo (vodík nebo oxid uhelnatý) a na zápornou
elektrodu okysličovadlo (vzduch nebo čistý kyslík). Molekula kyslíku na kladné elektrodě
pojme elektrony přicházející z vnějšího elektrického obvodu, vznikají tak záporné ionty
kyslíku. Ty putují krystalickou mřížkou elektrolytu k záporné elektrodě, kde dochází
k oxidaci paliva a uvolnění dalších volných elektronů putujících vnějším obvodem ke katodě.
Obr. 16: Princip SOFC; A – přívod paliva (H2 nebo CO), B – vedlejší produkt (H2O nebo
CO2), C – okysličovadlo (O2 nebo vzduch), D – palivová elektroda, E – pevný elektrolyt, F –
vzduchová elektroda, Z – zátěž vnějšího elektrického obvodu)
Používáme-li jako palivo vodík, je hlavní rovnice článku takováto:
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 23 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
2 H 2 + O2 → 2 H 2 O
Je-li palivem oxid uhličitý CO, rovnice je ve tvaru:
CO + H 2 O → H 2 + CO2
Zvolíme-li jako palivo methan CH4, rovnice se změní na
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO.
4
Shrnutí parametrů základních typů palivových
článků
Následující tabulka shrnuje nejzákladnější parametry výše uvedených palivových článků
(teplota ve °C, pohyblivý iont, typ elektrolytu, horní hranici používaných výkonů, elektrickou
účinnost, typ používaného paliva, nejčastější aplikace a velikost svorkového napětí naprázdno
elementárního článku. Z důvodu zachování přehlednosti zde neuvádím hlavní anodové a
katodové chemické reakce.
Druh
Středněteplotní
Nízkoteplotní
Vysokoteplotní
Název
AFC
PEMFC
DMFC
PAFC
MCFC
SOFC
Teplota
[°C]
60-100
20-80
60-130
170-250
600-650
600-1050
Elektrolyt
KOH
Iontoměničná
membrána
Iontoměničná
membrána
HPO3
Tavené
karbonáty
Li, H, K
ZiO2
s dotací
Yttria
Pohyblivý
iont
OH-
H+
H+
H+
CO32-
O2-
Účinnost
elektr. [%]
45-60
40-60
40
38-45
45-60
50-65
Výkon [kW]
Do 20
Do 250
Do 10
50 – stovky kW
Jednotky
MW
Jednotky
MW
Palivo
H
H,
reformovaná
paliva
Methanol,
ethanol
H, reformovaná
paliva
Vodík,
nepřímá
paliva
Všechny
druhy, bez
reformování
Napětí
elementár.
článku
1,1 – 1,2 V
1,1 V
1,1 V
1,1 V
0,7 – 1,0 V
0,8 – 1,0 V
Aplikace
Kosm.lodě,
lodě,
ponorky
Univerzální
Přenosné
články
Výroba energie
Výroba
energie
Výroba
energie
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 24 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
5
Semestrální projekt – palivové články
Praktické využití palivových článků
Aplikace jednotlivých typů palivových článků jsou již uvedeny výše. Zde uvedu
konkrétnější aplikace palivových článků typu PEM. Články tohoto typu se velice často
používají jako zdroje elektrické energie pro elektromobily rozličných velikostí a výkonů.
Obr. 17: Chalmersův traktor poháněný AFC z roku 1959
Poprvé se palivové články objevily ve speciálních vozidlech. Na obrázku je traktor
poháněný alkalickým palivovým článkem o výkonu 20 koní. Jeho konstruktér byl Allis
Chalmers, který jej také roku 1959 předvedl veřejnosti.
Jak již bylo řečeno dříve, následoval vývoj článků především za účelem kosmického
výzkumu a nemalý vliv měly také vojenské účely (ponorky, lodě apod.). V šedesátých letech
byly objeveny PEM články a od sedmdesátých let byly instalovány právě do ponorek
(amerických).
Palivové články nenacházejí uplatnění jen ve vozidlech dvoustopých, ale setkáme se
s nimi na ulicích také jako se zdroji elektrické energie pro tzv. bezemisní motocykly (ZES –
zero emission scooters). Na obrázku 18 je skútr od firmy Asia Pacific Fuel Cell Technologies
(APFCT) ZES 4, který byl dokončen v září 2003. Motocykl má dojezd 120 km a jeho
maximální rychlost činí 58 km/h. Je poháněn článkem 1 kW PEM.
Obr. 18: Bezemisní skútr ZES 4
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 25 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
5.1 Automobilka Volkswagen - projekty s palivovými články
VW je největší evropský a 4. největší světový výrobce automobilů, není tedy nic
zvláštního, že vynakládají nemalé prostředky na vývoj vozidel poháněných elektřinou. Tato
společnost má s výrobou elektromobilů již dvacetileté zkušenosti. V posledních letech
používá jako zdroj elektrické energie právě palivové články PEM.
V roce 1999 koncern představil první automobil poháněný palivovým článkem s názvem
EU Capri Project. Šlo o článek typu PEM o výkonu 15 kw od kanadské firmy Ballard.
Automobil (VW Golf III) měl dojezd 250 km. Palivem zde byl methanol.
Hned v roce 2000 vyjelo z bran závodu další vozidlo typu Bora poháněné PEM FC,
tentokrát o výkonu 75 kW. Jako palivo bylo použito tekutého vodíku. Dokázalo vyvinout
rychlost 140 km/h a ujet vzdálenost 350 km. Projekt nesl označení HyMotion.
Dalším krokem ve vývoji automobilů s alternativním pohonem bylo realizování projektu
HyPower s automobilem VW Bora poháněným PEM FC firmy Paul Scherrer o výkonu 40
kW. Tento automobil je neobvyklý použitím superkapacitorů jako výkonových boostrů
poskytujících až 30 kW akceleračního výkonu. Jako palivo je zde opět použit tekutý vodík,
dojezd automobilu činí 150 km.
a)
b)
Obr. 19: Projekty koncernu VW
a) Hy.Power VW BORA 40 kW PEM FC 2002 (stlačený vodík)
b) Hy.Motion VW Bora 75 kW PEM FC 2001 (tekutý vodík)
c) EU Capri project VW Golf III 15 kw PEM FC 1999 (methanol)
5.2
c)
General Motors – projekty s palivovými články
Z pozice skeptika přešla společnost k aktivnímu zastávání se používání palivových článků
v osobních automobilech. Funkcionáři představenstva společnosti neskrývají záměr být první
společností, která se ziskem prodá jeden milion automobilů poháněných palivovými články.
Společnost částečně inspirovaná brzkým úspěchem koncernu Daimler-Benz v Evropě
vyrobila u dceřiné společnosti firmy Opel zkušební vozidlo a pozvolna zvyšovala výzkumné
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 26 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
aktivity na tomto voze, a to v celosvětovém měřítku. Výkonný šéf představenstva společnosti
GM Rick Wagner řekl: „Palivové články jsou pro budoucnost GM velice důležité. Za jejich
vývoj jsme již utratili stovky milionů dolarů a chystáme se utratil ještě více, dokud se
nedostaneme do fáze efektivní sériové výroby a efektivního využití těchto vozů.“
Za poslední roky vyrobila společnost GM řadu rozmanitých vozidel s pohonem s FC:
•
1997 – Opel Sintra minivan s PEM FC 50 kW.
•
1997 – EV1 FCEV – palivem je methanol .
•
1999 – Opel Zafira minivan – methanolový PEM FC 50 kW od firmy Ballard,
dojezd 483 km, max. rychlost 120 km/h.
•
2000 – Projekt Hydrogen 1 – Opel Zafira van – palivem 80 kW článku společnosti
GM-Hydrogenics je tekutý vodík, vozidlo má dojezd 400 km a maximální
rychlost 140 km/h.
•
2001 – Projekt Hydrogen 3 (Opel Zafira van) – článek firmy GM-Hydrogenics má
výkon 94 kW. Vozidlo může vyvinout rychlost až 160 km/h a má dojezd
400 km.
•
2001 – Pick up Chevy S-10 poháněný palivovým článkem PEM od firmy GM –
Hydrogenics o výkonu 25 kW na zemní plyn, dojezd 386 km s maximální
rychlostí 112 km/h.
•
2002 – Projekt Rozšířený Hydrogen 3 (Opel Zafira van), 94 kW článek PEM na
stlačený vodík od společnosti GM – Hydrogenics, dojezd 240 km a
maximální rychlost 160 km/h.
•
2003 – Hybridní diesel-elektrické vojenské vozidlo, palivem je nízkotlaký
metalhydridy, palivový článek PEM má výkon 5 kW, maximální rychlost
70 km/h.
a)
b)
Obr. 20: Některé projekty koncernu GM
a) Rozšířený Hydrogen 3 (Opel Zafira), b) Pick-up Chevy S-10
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 27 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Obr. 21: Hybridní diesel - elektrické vojenské vozidlo ze stáje GM
5.3
Palivové články v autobusové dopravě – Ballard Power
Systems
Palivové články (především PEM) najdou uplatnění také u těžší vozidel. Kanadská
společnost
Ballard vyvíjí a vyrábí společně se známými automobilkami několik typů
autobusů poháněných palivovými články. Dnes jezdí po celém světě více než sto bezemisních
“fuel cell busů“. Např v květnu 2003 dodala společnost Ballard do Španělska 30 autobusů
Daimler-Chrysler vybavených 205 kW PEM článkem. V dalších letech se tyto čisté dopravní
prostředky rozšířily i do Amsterodamu, Stockholmu, Reykjavíku, Londýna, Hamburgu,
Luxembourgu, Porta a Stuttgartu (v rámci tzv. CUTE programu). Šlo o autobusy DaimlerChrysler EVOBUS, jejichž vývoj zaznamenal tři etapy. První etapu představoval autobus
NEBUS (No Emission BUS), který předvedla firma Mercedes Benz v roce 1997. V další
etapě šlo o vůz ZEBUS (Zero Emission BUS) vyvinutý společně s firmou Sun Line Transit
v roce 1999. Poslední vůz – Citaro je původně kombinovaný elektro-diesel autobus. Autobus
používá stlačené vodíkové palivo, na střeše je umístěno devět vysokotlakých 205ti litrových
válců.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 28 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Obr. 22: Popis autobusu Daimler-Chrysler EVOBUS Citaro poháněného PEM FC
Obr. 23: Daimler Chrysler EVOBUS Citaro v provozu
6 Závěr
Jelikož rozsah této práce není dostatečný k tomu, abych z ní dokázal zhodnotit nebo
porovnat vlastnosti a efektivitu použití jednotlivých typů článků, nebudu se o toto snažit.
Každý typ článků si totiž postupně nachází oblast svého uplatnění, kde je právě ten daný
článek ideální. Jako hlavní cíl práce jsem si zvolil seznámení se základními typy článků,
alespoň částečné popsání jejich hlavních reakcí a principu. Pro případné porovnání vlastností
může sloužit přehledová tabulka viz. kapitola 4.
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 29 -
ČVUT FEL K315 katedra elektroenergetiky
Semestrální projekt – palivové články
Poněvadž je použití článků rozdílné, přiblížil jsem trochu konkrétní aplikace článků typu
PEM používaných především v automobilovém průmyslu.
Problematice palivových článků se budu věnovat také ve své diplomové práci, ve které se
budu věnovat hlavně práci s palivovým článkem PEM od firmy ReliOn umístěným
v laboratoři FEL ČVUT. Dále chci v diplomové práci rozebrat problematiku skladování a
transport vodíku a také jeho výrobě.
7
Odkazy na použitou literaturu
http://palivove-clanky.podklenbou.sk
http://www.fossil.energy.gov/programs/powersystems/fuelcells
http://www.enviros.cz/palivove_clanky
http://www.fuelcells.org/info/fclib.html
http://www.mpo.cz
http://www.volny.cz/ales.havranek/dmfc.htm
http://www.fueleconomy.gov/feg/fuelcell.shtml
http://dealers.peugeot.cz/
http://www.dtienergy.com/advantages.html
http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells
podklady k soutěži napájeni sluncem – VŠB TU Ostrava
studijní materiál z ČVUT FEL K315 – Elektrochemické zdroje energie
__________________________________________________________________________________________
Ak. rok. 2006/2007
Vypracoval: Bc. David FURKA
- 30 -