Vylepšený palivový článek  
Vědci z Massachusetts Institute of Technology vylepšili účinnost nízkoteplotního palivového článku o plných 50%. Doba, kdy přestaneme mít v telefonech a počítačích baterky, se zase přiblížila.

 


 

Zvětšit obrázek
Profesorka Paula T. Hammondová, specialistka na syntézu makromolekul, tekuté krystaly, polymery,.. Nevšední to žena, neboť výčet ústavů a universit na kterých bádá, přednáší a jimiž je oceněna dosahuje téměř dvou desítek.

Palivový článek je elektrochemický zdroj proudu, ve kterém je energie získávána elektrochemickou oxidací paliva na záporné elektrodě a redukcí kyslíku na kladné elektrodě. Při této elektrochemické reakci se uvolňují volné elektrony na anodě a spotřebovávají se na katodě, čímž vzniká na článku elektrické napětí. Rozdíl mezi palivovým článkem a akumulátorem (baterií) je ten, že dodává elektrickou energii tak dlouho, dokud má přísun paliva.


Palivových článků existuje více typů. Liší se chemickým složením elektrolytu, provozními teplotami a druhem spalovaného paliva. Nízkoteplotní palivové články využívají kyslík (většinou ze vzduchu) a jako palivo jim slouží vodík nebo methanol. Vysokoteplotní články mohou spalovat i některá konvenční uhlovodíková paliva. Vylepšení technologie o které zde budeme referovat se týká pouze nízkoteplotního článku s polymerním elektrolytem, v němž se spaluje metanol. V odborné literatuře se pro tento typ článku vžila zkratka DMFC (Direct Methanol Fuel Cells).

 

Zvětšit obrázek
Schéma vodíkového palivového článku

K pochopení jak palivový článek funguje je nejsnazší použít příklad článku s polymerní membránou, kde palivem je vodík. Tento článek se skládá ze dvou elektrod, na jejichž povrchu se nachází slabá vrstva uhlíku obsahujícím malé množství platiny, která zde slouží jako katalyzátor. Elektrody jsou od sebe odděleny tenkou polymerní membránou, která propouští kladně nabité ionty (protony). Vodík je přiváděn na anodu. Tam při styku s katalyzátorem dochází k jeho disociaci na kladné ionty a elektrony. Protony se polymerní vrstvou proderou, ale elektrony musí udělat kolečko přes vnější okruh. Takto vzniklý proud lze zužitkovat na provoz různých přístrojů. Na katodě pak sloučením dvou protonů - kladně nabitých vodíkových iontů, dvou elektronů a atomu kyslíku vznikne voda. 

 

Zvětšit obrázek
Schéma metanolového palivového článku

 

U palivového článku na metanol (DMFC) se na anodě oxiduje metanol. Na rozdíl od vodíku má tento děj několik reakčních mezistupňů. Ty rychlost reakce zpomalují a výsledkem je, že tento článek má od výše zmíněného vodíkového, nižší napětí. V praxi to funguje tak, že se k anodě nepřivádí jen metanol, ale metanol ředěný vodou. Při procesu jeho oxidace se odpoutávají elektrony a ty jako proud tečou vodičem na katodu.  Kladné ionty se propasírují přes iontoměničovou membránu. Pro tento proces je charakteristický vznik oxidu uhličitého.

 

Palivo: CH3OH
Anoda:  CH3OH + H2O -> CO2 + 6H+ + e-
Katoda: 3/2O2 + 6H+  + 6e-  -> 3H2O
Celková reakce: CH3OH + 3/2O2 -> CO2 + 2H2O

 

 

 

Zvětšit obrázek
Plnění metanolového palivového článku zabudovaného v MP3 přehrávači firmyToshiba.

Paula T. Hammondová, vedoucí výzkumného týmu na MIT, tvrdí, že se jim podařilo připravit  materiál, který  nahradí tradiční membrány používané v palivových článcích. K takovému tvrzení má v rukávu několik trumfů. Materiál vyvinutý v MIT je totiž levnější a přitom je schopen z článku dostat více energie. Podle Hammondové to ale ještě není všechno. Jejich materiál se prý uplatní i v dalších elektrochemických systémech, například v obyčejných bateriích.

 

 

 

Zvětšit obrázek
Nafion,
tetrafluoretylenový kopolymer je základem nejpoužívanějších membrán v palivových článcích. Nejedná se přitom o horkou novinku, ale o polymerní protonový vodič, který objevil Walther Grot již v šedesátých letech minulého století.


 

Starší typy metanolových palivových článků jsou již na trhu. Jejich užití je ale omezené. Důvodů je několik. Mezi ty hlavní patří fakt, že materiál, který se používá na rozvrstvení elektrolytu mezi elektrodami je drahý. Ještě důležitější komplikací je, že materiál, který se k tomu používá (nazývá se Nafion) je pro metanol prostupný. Tím dochází k jeho ztrátám únikem přes vnitřní struktury článku. Takto ztracené palivo nemůže být na el. proud využito a účinnost zařízení tím klesá.
Relativně novou metodou, při které výsledný film vzniká kladením jednotlivých vrstev nového materiálu na sebe vědci vytvořili alternativu dosud používané membráně Nafion.

 

 Výhodou nově vyvinutého materiálu je jeho možnost „vyladit“ strukturu filmu s přesností několika málo nanometrů. Výsledkem je malá propustnost takové vrstvy pro metanol, přitom je údajně zachována její vodivosti (schopnost převádět protony) a to na  úrovni, kterou vykazuje membrána Nafion.  

 

 

Zvětšit obrázek
Nahradit by jej měla membrána, která zvyšuje účinnost palivových článků o polovinu. Odborníci této látce prorokují uplatnění i v dalších oblastech. Její složení vědci zatím tají. (Kredit: Avni Argun a Nathan Ashcraft, MIT)

Ze své kuchyně američtí vědci nezveřejnili z čeho novou membránu dělají. Zveřejnili jen několik výsledků z jejich pokusů. Například ten, když jejich novým materiálem pokryli klasickou membránu z Nafionu. Poté takto vylepšený palivový článek dosáhl vyšší kapacity o více než 50%.

 

Vědci předpokládají, že jejich nový materiál zcela nahradí drahý Nafion.   Práce již běží a výsledkem má být levný film konzistencí připomínající plastikový sáček. Na tyto pokusy již vědci získali sponzora. Je jím firma DuPont. Kromě toho další vylepšování membrány podpořil ze svého rozpočtu stát (udělením grantu). Do třetice přispěl finančními prostředky i jejich mateřský výzkumný ústav (MIT).  Proč tolik zájmu? Inu proto, že se očekává komerční úspěch a to nejen v oblasti palivových článků. Želízkem v ohni má být totiž i využití této membrány ve fotovoltaice.  

 

Pramen: Massachusetts Institute of Technology


 

 

 

 

Datum: 20.05.2008 08:16
Tisk článku

Fyzika III 1. díl - Holubová Renata, Richterek Lukáš, Kubínek Roman
 
 
cena původní: 88 Kč
cena: 84 Kč
Fyzika III 1. díl
Holubová Renata, Richterek Lukáš, Kubínek Roman
Související články:

Ohrožuje spuštění LHC naši existenci?     Autor: Vladimír Wagner (21.06.2008)



Diskuze:

A aku ucinnost ma tento vylepseny palivovy clanok?

Martin G.,2008-05-21 11:13:11

Aku ucinnost ma tento novy palivovy clanok? Mozno som necital clanok dost pozorne, ale nie je tam uvedene, aku aktualnu ucinnost tento clanok ma. Je tam informacia, ze jeho ucinnost bola zvysena o 50%, ale nie je tam uvedene, v porovnani s akym clankom je ucinnost tohoto vyssia o tych 50 %.

Prepokladam, ze jeho ucinnost bude stale zalostne nizka.

Odpovědět


josef pazdera,2008-05-21 15:09:25

U současných metanolových článků se udává účinnostokolo 35 - 45%. V laboratořích se dosahuje až 60%.

Odpovědět

Anoda a oxidace - chyba je jinde

Jan Havlík,2008-05-20 21:30:49

Věc se má tak, že anodou je vždy zvána elektroda, na které probíhá oxidace. Pokud elektrochemický článek je zdrojem napětí, pak má náboj záporný (např. baterka), pokud je zdroj vnější a provádíme např. elektrolýzu, pak má anoda náboj kladný.

Katody a anody jsou myslím v pořádku.
Chyba je podle mě, ale hned v první větě. Když se člověk zamyslí na principem, tak je nesmysl, aby se něco oxidovalo = získávalo kladný náboj = odevzdávalo elektrony na záporné elektrodě = přebytek elektronů. To samé s redukcí kyslíku na kladné. Kyslík z ox.č. 0 jde na dvě vody kde má ox.č. 2- = získá tak 2x dva elektrony.

Odpovědět


chyba v úvaze

Jan Havlík,2008-05-20 21:48:58

Omlouvám se, článek je správně. To co jsem popsal by vadilo pouze v případě elektrolýzy. V elektrochemickém článku je to správně. Např. Cu2+ se bude samovolně vylučovat a odevzdávat kladný náboj a např. Zn se bude uvolňovat jako Zn2+ a zanechá záporný náboj. Trochu jsem se nechal zmást předchozí úvahou o katodách a anodách.

Odpovědět

AK

Pad,2008-05-20 14:36:20

Pro informaci , Anoda je kladná a Katoda záporná

Odpovědět


Fakt?

JirkaN,2008-05-20 15:20:05

A od kdy?

Odpovědět


ano, ano

Petr,2008-05-20 16:23:54

ANOda je kladna, jako kladna odpoved ANO! To je moje memotechnicka pomucka uz od zakladni skoly.. Nekdo take pouziva pomucku, ze ANionty jsou pritahovany ANode :)

Odpovědět


V palivovém článku je anoda - a katoda +

JirkaN,2008-05-20 18:14:36

V elektronce je to naopak. Smiřte se s tím.

http://wikipedia.infostar.cz/e/el/electrode.html#Anode%20vs.%20cathode%20in%20electrochemical%20cells

Odpovědět


Petře to vás učili na té základce pěknou hloupost!

RomanK,2008-05-21 13:55:39

Když vám k tomu neřekli, že u zdrojů proudu jako jsou baterie a palivové články je to jinak.

Odpovědět

Protijed

JSH,2008-05-20 13:16:17

Naštěstí je protijed proti metanolu dobře dostupný. Při otravě metanolem je první pomoc se ožrat.

Odpovědět

Metanol

ww,2008-05-20 12:15:28

V sucasnosti je nakup metanolu prakticky nedostupny. Pri nakupe je nutne predlozit preukaz na opravnenie s manipulaciou s jedmi. T.j. ak si kupim mp3 prehravac na metanol, budem musiet absolvovat skusky na manipulaciu a prechovavanie jedov, naplnit novou davkou si budem moct sam, alebo len v autorizovanych servisoch s vyskolenym personalom? Ako to bude so zabranou predaja a pouzivania prehravacov s metanolom neplnoletymi? Ako je pripraveny sudny system na spracovanie mnozstva pripadov otravy metanolom napr. v spotrebnej elektronike, nedbalostou, pripadne umyselnym zabitim alebo vrazdou?

Odpovědět


řešení

Jan havlik,2008-05-20 21:40:02

Domnívám se, že průmyslově to bude řešeno podobně, jako je to u tužkových baterek nebo tonerů. Prostě to bude krabička kterou člověk vloží a až dojde, tak ji vyhodí a koupí novou. Jedy jsou všude kolem nás. Benzín natural je také pěkné svinstvo po případném požití. Např. obsahuje benzen tuším v řádu cca 20% složení.
Stejně tak spousta baterií je nikl-kadmiových. Sloučeniny obou kovů jsou velmi silné jedy a přeci se tyto baterie poměrně běžně používají. Methanol není sám o sobě tak strašně jedovatý. Navíc ho používájí již dlouhou dobu např modeláři letadel jako palivo. Aspoň mám ten pocit. Jeho problém je spíš v tom, že je špatně rozlišitelný od ethanolu. Věřím, že příměsi v něm zajistí, aby případný vražedný nápoj byl hnusný na chuť.

Odpovědět


Vždy, když někdo objeví něco nového,

Duke,2008-05-21 08:38:17

najde se armáda pochybovačů, kteří budou tvrdit, proč to nejde a co všechno brání využití. Sami nedovedou přemýšlet a aplikovat věci už známé a dávno vyřešené.

Odpovědět


Už aby to tady bylo

Dane,2008-05-22 10:48:15

a mobily, MP3 i Notebooky byly poháněny "jedovatými" palivovými články třeba na bázi metanolu a konečně jsme se zbavili baterek plných "neškodného biologicky odbouratelného" kadmia, lithia, niklu...

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace