Palivový článek: Porovnání verzí
Smazaný obsah Přidaný obsah
Vyprázdnění stránky |
m Editace uživatele 213.211.55.84 (diskuse) vráceny do předchozího stavu, jehož autorem je AStarBot |
||
Řádek 1:
{{Upravit - technika}}
[[Soubor:Fuel cell NASA p48600ac.jpg|thumb|250px|right|Obrázek methanolového palivového článku.]]
'''Palivový článek''' je [[elektrochemie|elektrochemické]] zařízení vytvářející elektrickou energii.
Palivový článek je [[galvanický článek]], k jehož [[elektroda|elektrodám]] jsou přiváděny jednak palivo (k anodě) jednak okysličovadlo (ke katodě). Princip výroby elektřiny v palivovém článku spočívá tedy v dodávání paliva k [[anoda|anodě]] (do anodového prostoru) a okysličovadla ke [[katoda|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<sup>2-</sup>), a ty pak reagují s H<sup>+</sup> 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, [[Chlor|chlór]] a [[oxid chloričitý]].
== Pozadí ==
[[Soubor:Fuel cell bus in Brno.JPG|thumb|Autobus Mercedes-Benz s pohonem na palivové články.]]
Přeměna chemické energie na [[elektřina|elektrickou]] se většinou děje v generátorech oklikou přes [[kinetická energie|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 [[vodíkový pohon|vodíkového pohonu]] [[automobil]]ů. [[Vodík]] může být vyroben např. pomocí [[elektrolýza|elektrolýzy]] vody a [[kyslík]] je obsažen v atmosféře. Skladování vodíku v automobilových nádržích je v neustálém vývoji díky tomu, že vodík je ve směsi se vzduchem vysoce výbušný. Moderní výzkumy ukazují na použití směsi železa a titanu jako stabilizátoru. Navíc účinnost celého cyklu (elektřina → vodík → elektřina) dosahuje jen asi 30-40 %. Elektřina se většinou vyrábí splalováním uhlí a účinnost výroby elektřiny z uhlí 40%. Celkově pak účinnost celého systému uhlí → elektřina → vodík → elektřina je 12-16%.
V současnosti jsou palivové články používány v [[raketoplán]]ech a v [[ponorka|ponorkách]].
== Historie ==
Princip palivového článku byl objeven už v roce [[1838]] švýcarským vědcem Christianem [[Friedrich Schönbein]]em. 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 [[svítiplyn]]em. 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 [[dynamo|dynama]] Wernerem von Siemensem palivový článek upadl částečně v zapomnění.
První použitelný článek o výkonu 5 kW prezentoval jeho vynálezce [[Francis Thomas Bacon]] v roce [[1959]]<ref>{{en}}http://www.corrosion-doctors.org/Biographies/BaconBio.htm</ref><ref>{{en}}http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Bacon%27s_Fuel_Cell</ref>.
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 [[program Apollo|programu Apollo]], ale jsou zdrojem energie i pro současné raketoplány. Navíc odpadním produktem vodíko-kyslíkového článku je voda, která může byt využita ve vodním režimu raketoplánu.
== Typy palivových článků ==
Palivové články lze třídit dle provozní teploty na nízkoteplotní a vysokoteplotní. Dalším kritériem je použitý elektrolyt
=== Palivové články s alkalickým elektrolytem (AFC) ===
Jako elektrolyt se používá vodný roztok alkalického hydroxidu ([[NaOH]], [[KOH]]) zafixovaný do [[azbest|azbestové]] [[matrici|matrice]]. Jako palivo slouží čistý vodík a jako okysličovadlo čistý kyslík, nebo vzduch zbavený oxidu uhličitého, který by reagoval spolu s elektrolytem na uhličitan draselný. V takovýchto palivových článcích lze použít veliké množství typů katalyzátorů, nejsme tedy odkázání pouze na katalyzátory na bázi platiny. Účinnost přeměny čistého vodíku na elektrickou energii dosahuje až 60%. Tyto palivové články se uplatňují především ve vesmírných a vojenských aplikacích.
=== Palivové články s polymerní membránou (PEMFC) ===
Funkci elektrolytu zde plní polymerní membrána vodivá pro vodíkové ionty (protony), někdy se proto používá termín „proton exchange membráne“, která však musí být zvlhčována. V drtivé většině se jedná o [[sulfonované fluoropolymery]], nejčastěji se jedná o Nafion®. Jako katalyzátor se nejčastěji používá platina, nebo slitiny platinových kovů, které jsou nanesené na povrch GDL (plynově difúzní vrstva) a tak vytváří GDE (plynově difúzní elektroda), GDL s zafixovaným katalyzátorem. Jako palivo slouží vodík, nebo metanol a jako okysličovadlo kyslík, nebo vzduch. Pracovní teplota je do 90 °C, což umožňuje okamžité flexibilní použití, nevýhodou je vysoká citlivost katalyzátoru na katalytické jedy, především na oxid uhelnatý. Tento palivový článek se hodí pro mobilní zařízení.
=== Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) ===
Tyto palivové články jsou již dnes komerčně dostupné. Jako elektrolyt je používána 100% kyselina fosforečná fixovaná v matrici. Tyto palivové články pracují při teplotě okolo 200 °C. Jako katalyzátor je používána platina, kdy v současnosti došlo k významnému poklesu množství použité platiny. Jako palivo slouží vodík připravený [[parní reforming|parním reformingem]] fosilních paliv a jako okysličovadlo vzduch. Tyto palivové články skýtají možnost využití v [[kogenerační jednotka|kogeneračních jednotkách]].
=== Palivové články s tavenými uhličitany (MCFC) ===
Tyto palivové články jsou již dnes komerčně dostupné. Jako elektrolyt zde slouží tavenina směsi alkalických uhličitanů fixovaná v matrici, protože tyto palivové články pracují při teplotě okolo 600 °C. V těchto palivových článcích se nemusí používat drahé katalyzátory, v palivovém článku dochází k vnitřnímu reformingu, který zvyšuje účinnost článku, a proto palivo nemusí být příliš čisté. Jako palivo slouží plyn z parního reformingu fosilních paliv a [[bioplyn]]u a jako okysličovadlo vzduch. Tyto palivové články skýtají možnost využití v kogeneračních jednotkách a elektrárnách.
=== Palivové články s tuhými oxidy (SOFC) ===
Pevný elektrolyt způsobuje konstrukční problémy, ovšem nemusí se zde používat drahých katalyzátorů. Vzhledem k faktu, že tyto palivové články pracují při teplotě okolo 800 °C, lze použít reakční produkty v expanzní turbíně, což vede k dalšímu zvýšení účinnosti. Jako palivo slouží plyn z parního reformingu fosilních paliv a bioplynu a jako okysličovadlo vzduch. Tyto palivové články skýtají možnost využití v kogeneračních jednotkách a elektrárnách.
== Struktura ==
Palivový článek se skládá ze dvou [[elektroda|elektrod]], které jsou odděleny membránou nebo [[elektrolyt]]em. K [[anoda|anodě]] je přiváděno palivo (např. [[vodík]], [[methan]], [[methanol]], kyselina octová, roztok [[Glukóza|glukózy]]), které je zde oxidováno. Ke [[katoda|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 [[katalyzátor]]em (např. [[platina|platinou]] nebo [[palladium|palladiem]]), čímž se dosahuje vyšší účinnosti. Dnes se standardně používají elektrody s množstvím katalyzátoru 5g/m<sup>2</sup>.
Jako elektrolyt mohou sloužit různé [[kyselina|kyseliny]] (převážně H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>) nebo [[zásada|zásady]] (nejčastěji KOH), [[keramika|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 Apollo, jehož nevýhodou však je, že se oxidovadlo musí čistit od CO<sub>2</sub>, 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 [[volt]]u 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 ==
[[Soubor:Fuell cell.jpg|right|300px|thumb|schematické vyjádření dějů v palivovém článku]]
Palivo (například [[vodík]]) je na [[anoda|anodě]] katalyticky přeměněno na kat[[ion]]ty (v příp. vodíku ionty H<sup>+</sup>). Uvolněné [[elektron]]y jsou navázány anodou a vytváří [[elektrický proud]], který proudí přes elektrický spotřebič ke [[katoda|katodě]]. Na katodě se oxidační činidlo (většinou [[kyslík]]) redukuje na an[[ion]]ty (O<sup>2-</sup>), a ty pak reagují s H<sup>+</sup> ionty a přeměnují se na vodu.
Chemické rovnice:
<math>Anoda: 2 H_2 \to 4 H^+ + 4 e^-</math>
Oxidace / odevzdání elektronu
<math>Katoda: O_2 + 4 e^-\to 2O^{2-}</math>
<math>2.krok: 2O^{2-} + 4 H^+\to 2 H_2O</math>
Redukce / přijmutí elektronu
<math>Souhrn: 2 H_2 + O_2 \to 2 H_2O</math>
Redoxní reakce
== Související články ==
{{commons|Fuel cell}}
== Reference ==
<references />
[[Kategorie:Vodíkový pohon]]
[[af:Brandstofsel]]
[[ar:خلية وقود]]
[[bg:Горивна клетка]]
[[bn:জ্বালানি কোষ]]
[[bs:Goriva ćelija]]
[[ca:Pila de combustible]]
[[da:Brændselscelle]]
[[de:Brennstoffzelle]]
[[el:Κυψέλη καυσίμου]]
[[en:Fuel cell]]
[[eo:Fuelpilo]]
[[es:Pila de combustible]]
[[et:Kütuseelement]]
[[fa:پیل سوختی]]
[[fi:Polttokenno]]
[[fr:Pile à combustible]]
[[he:תא דלק]]
[[hr:Goriva ćelija]]
[[ht:Selil konbistib]]
[[hu:Tüzelőanyag-cella]]
[[id:Sel bahan bakar]]
[[it:Pila a combustibile]]
[[ja:燃料電池]]
[[ko:연료전지]]
[[ml:ഫ്യുവല് സെല്]]
[[nl:Brandstofcel]]
[[no:Brenselcelle]]
[[pl:Ogniwo paliwowe]]
[[pt:Célula combustível]]
[[ro:Pilă de combustie]]
[[ru:Топливный элемент]]
[[simple:Fuel cell]]
[[sr:Gorivne ćelije]]
[[sv:Bränslecell]]
[[th:เซลล์เชื้อเพลิง]]
[[tr:Yakıt hücresi]]
[[uk:Паливний елемент]]
[[ur:ایندھنی خلیہ]]
[[vi:Tế bào nhiên liệu]]
[[zh:燃料电池]]
| |||