Že by konečně „rodinný“ vysoce účinný palivový článek?  
V Pacific Northwest National Laboratory vyvinuli SOFC palivový článek na bázi tuhých oxidů s rekordní účinností. Pomocí soustavy mikrokanálků se mu daří lépe využívat odpadní teplo a spolu se zavedením recyklace paliva přeměňuje 57 % jeho energie uvězněné v chemických vazbách. S lepším turbodmychadlem má překonat hranici 60 %. Jeho celková energetická účinnost je 93 %.


Zvětšit obrázek
Vysoká účinnost nového článku spočívá ve zvládnutí technologie výroby mikrokanálků u výměníku tepla a využitím dvou neobvyklých procesů, tzv. vnější parní reformace a recyklace paliva. Kredit: PNNL

V časopisu Journal of Power Sources se objevil článek o článku, který odbornou i laickou veřejnost zajímající se o energetické zdroje rozdělil na dva tábory. Jedni argumentují - dejme tu věc do aut a snížíme o více než polovinu spotřebu paliva. A když k tomu připojíme levné baterie, které půjdou dobíjet i ze sítě, máme auto, jenž bude jezdit za desetinu toho, co spotřebuje běžné auto dnes. Lákavé na tom je, že pokud bychom pokořili hranici desetiprocentní spotřeby paliva, jsme schopni nahradit všechny fosilní paliva biopalivy. Oponenti argumentují, že palivové články jsou jen další cestou, jak se o fosilní paliva připravit.


Účinnost
Na spodní příčce účinnosti přeměny energie paliva na mechanickou práci je parní stroj, většinou není lepší než 12 %. Spalovací motory jsou na tom lépe, využijí 10 – 50 % chemické energie paliva. Benzínové a dieselové motory dosahují účinnosti kolem 25 %, turbinové v letadlech se pohybují okolo 20 – 25 % a ještě ekonomičtější jsou přeplňované motory s turbokompresorem poháněným výfukovými plyny (turbo). U těch výrobci uvádějí účinnost kolem 35 %. Stacionární spalovací turbína s tepelnými výměníky může dosahovat účinnosti i přes 50 %.
U palivových článků se účinnost přeměny na elektrickou energii uvádí ještě o něco vyšší a pokud se započítá využití tepla, zvyšuje se energetická účinnost na 80 %. O novém palivovém článku vyvinutém v PNNL se píše, že má dosahovat 93 %.


Palivový článek

Zvětšit obrázek
Polymer electrolyte fuel cell (Kredit: US DEP. ENERGY)

Palivové články jsou hodně podobné bateriím, používají anody, katody a elektrolyty na výrobu elektřiny. Rozdíl od baterií je v tom, že ty po čase přestanou fungovat, když spotřebují své náplně. Palivové články ale mohou dodávat proud nepřetržitě, pokud mají zajištěn stálý přívod paliva. Ti, co se v tom vyznají, zařadili nový systém vyvinutý firmou Energy´s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) do kategorie SOFC. Kromě té ale při čtení odborných textů narazíme také na palivové články AFC, PEFC, PAFC, DMFC a MCFC z čehož jeden začne mít docela slušný guláš.

Zvětšit obrázek
AFC (alkaline fuel cell) (Kredit: US DEP. ENERGY)


AFC (alkaline fuel cell)

Alkalický palivový článek je konstrukčně nejjednodušší. Pracuje za nízkých teplot, přičemž zvládá i pokojovou teplotu. Za optimum se považuje 60 – 90 °C. V roli elektrolytu figuruje hydroxid sodný, nebo draselný. Jen asi čtyřicetiprocentní koncentrace hydroxidů není natolik korozivní, aby bylo potřeba využívat platinové katalyzátory, což výrobu zařízení značně zlevňuje. Většímu rozšíření těchto článků brání jejich časté „ucpávání“. Všudypřítomný oxid uhličitý reaguje s elektrolytem za vzniku uhličitanů. Pro palivo těchto článků (kyslík a vodík) proto platí víc než pro všechny ostatní pořekadlo: „čistota půl zdraví“. Články se zatím daří při životě udržet 8 000 operačních hodin. Aby se staly rentabilní, musely by mít stabilní výkon pětkrát tak dlouho.



PEFC (polymer electrolyte fuel cell)

Takzvaný polymerní článek odvozuje svůj název od elektrolytu, který tvoří látka podobná teflonu. V této membráně jsou chemickými vazbami zabudovány skupiny kyseliny sulfonové uvolňující vodíkové ionty. Jejich volný pohyb v polymeru zajišťuje funkci iontoměniče. Zatímco alkalické články „ucpává“ oxid uhličitý, zde jsou ničitelem membrán ionty kovů. Řešení se našlo v podobě katalyzátorů z platiny a pouzder z pozlaceného titanu. A to se s ekonomickým provozem moc neslučuje, nehledě na další membránovou nectnost - nesmí se z nich odpařit voda rychleji, než na nich vzniká. Tomu lze zabránit jen tím, že se složitě hlídá, aby nedošlo k přehřátí a teplota nepřestoupila 100 °C.


PAFC (phosphoric acid FC)

Článek s koncentrovanou kyselinou fosforečnou se podle teplotního členění řadí ke středněteplotním, pracuje v rozmezí 160 - 220 °C, nízké teploty nesnáší, protože kyselinový elektrolyt se již při 45 stupních mění na krystaly, a ty svou funkci iontové vodivosti odmítají plnit. Nevýhodou je dlouhá příprava před startem s nutností nahřívání na provozní teplotu. A také nesnáší v palivu přítomnost oxidu uhelnatého, čehož lze v případě, že se jede na vodík ze zemního plynu, dosáhnout jen těžko.

Zvětšit obrázek
PAFC (phosphoric acid FC) (Kredit: US DEP. ENERGY)


DMFC (direct methanol fuel cell)

Alkoholový článek využívající jedovatý metanol neoslňuje výkonem ani účinností. Jednak proto, že palivo je s vodou v kamarádském vztahu, a ta mu dovoluje unikat z anody přes membránu na katodu, kde se spaluje „pánubohu do oken“. Článek ale pracuje v sympatickém optimu okolo 100 °C a alkoholové náplně nejsou drahé, snadno se skladují i vyměňují, což spolu s jednoduchou konstrukcí článku z něj činí favorita pro široké uplatnění, například jako zdroje energie pro notebooky, telefony apod. Zcela vážně jsou míněny úvahy využívat je i v automobilech. Jako argument slouží jednoduchá přestavba stávajících čerpacích stanic. Uskladňovat metanol je mnohem snazší, než laškování s vodíkem.

Zvětšit obrázek
MCFC (molten carbonate fuel cells) (Kredit: US DEP. ENERGY)


MCFC (molten carbonate fuel cell)

Články využívající taveninu uhličitanů (sodík, draslík, litium), jimž jako palivo slouží oxid uhelnatý, vodík, nebo obojí, se řadí do kategorie vysokoteplotních. Jejich provozní optimum je 600 až 700 °C. Zajímavostí je, že katodu je třeba zásobovat spolu s kyslíkem i oxidem uhličitým. Ten totiž umožňuje vznik uhličitanových aniontů, které zajišťují onu vodivost elektrolytu z taveniny. I když se jako palivo uvádí vodík a oxid uhelnatý, do článků se může přivádět metan. Jednoduše proto, že při vysoké teplotě procesem zvaným reformace vodní parou vznikající na anodě se vodík z metanu vytvoří.


SOFC (solid oxide fuel cell)

Články s tuhými oxidy také patří mezi vysokoteplotní. Pracují v rozmezí 800 - 1000 °C, což jim rovněž umožňuje přímou konverzi uhlíkatých paliv, podobně jako u MCFC článků. Elektrolytem je iontově vodivý keramický materiál tvořený oxidem zirkonu a ytria (ZrO2 stabilizovaný Y2 O3 ) Někdy se pro zvýšení vodivosti při nižších teplotách přimíchává oxid stroncia. Materiál je vodivý pro kyslíkové ionty, které transportuje od katody k anodě. Anoda je ze spékaného keramického materiálu obohaceného o nikl a zirkon. Katoda bývá z materiálu, který známe spíše jako antiferomagnetikum - LaMnO3
Probíhající chemický proces v článku lze popsat rovnicí Při spalování oxidu uhelnatého: 2CO + 2O2- → 2CO2 + 4e-. V případě vodíku: 2H2 + 2O2- → 2H2O + 4e-.


SOFC články se vyznačují neobvykle vysokou účinností v širokém rozsahu jejich výkonu. Jsou vhodné jak pro „malovýrobu“ jedné až dvou kilowatt kombinované produkce tepla a elektrické energie, tak pro systémy zajišťující výrobu elektrické energie v objemech 100 - 250 kW pro distribuci v rámci místní přenosové sítě.
I když se uvádí, že palivem je metan, ve skutečnosti systém využívá jen jeho přeměny. Za pomoci vodní páry vznikající na anodě jej článek reformuje na vodík a oxid uhelnatý (CO), a teprve tyto plny jsou skutečným palivem. Díky anodové recirkulaci stouplo celkové využití energie obsažené v palivu na 93 %. Systém již dosáhl čistého výkonu 1650 - 2150 W s maximem účinnosti přeměny na elektrickou energii 56,6 % při 1720 W. Celkovou účinnost systému by mělo přehoupnout přes hodnotu 60 % lepší turbodmychadlo.


Většina firem a výzkumných týmů se dosud zaměřovala na větší systémy, které produkují 1 megawatt výkonu nebo více a snažily se o jakousi náhradu tradičních elektráren. Podle Vincenta Sprenkleho, spoluautora publikace a hlavního inženýra Pacific Northwest National Laboratory, jsou menší pevné palivové články, které generují mezi 1 a 100 kilowatty, lepší alternativou, neboť v případě potřeby jsou propojením do soustavy také schopny zajistit vysoce efektivní, lokalizovanou větší produkci energie.

Když Sprenkle se spolupracovníky začal článek před časem vylepšovat, vsadili na „rodinnou záležitost“. Jejich pilotní systém je postaven na jednotce generující cca 2 kW elektrické energie, což je energetická spotřeba typické americké domácnosti. Je koncipována tak, aby jí šlo snadno pospojovat na výrobnu 100 až 250 kW, což je spotřeba 50 až 100 domácností. Menší systémy jsou také fyzicky menší, takže mohou být umístěny blíže koncovému uživateli. Tomu se říká distribuovaná generace vyrábět elektřinu v relativně malých množstvích pro místní použití, jako jsou jednotlivé domy nebo čtvrti. Právě k tomu je článek určen.


Při provozní teplotě 1 100 °C může zpracovat nejen zemní plyn, bioplyn, ale i kapalná paliva jako jsou nafta a benzín. Jen se musí nejprve pečlivě vyčistit.

Vlastní SOFC článek je vyroben z keramických materiálů a tvoří ho tři vrstvy - anoda, katoda a elektrolyt. Vzduch je přiváděn k vnější vrstvě katody. Kyslík ze vzduchu poskytuje negativně nabitý iont, O2-, přes vnitřní vrstvu katody prostupuje do elektrolytu, jím putuje, aby nakonec dosáhl anody. Tam kyslíkové ionty reagují s palivem. Při této reakci se vytváří elektřina a jako vedlejší produkty pára a oxid uhličitý.

SOFC (solid oxide fuel cell)


Sprenkle a jeho kolegové jsou první, kteří postavili malý článek tohoto typu, a jehož účinnost je nad 50 procent. Jsou i první v použití vnější parní reformační jednotky k smíchávání paliva s párou, přičemž dochází k reakci za vzniku oxidu uhelnatého a vodíku, jež pak reagují s kyslíkem v palivovém článku na anodě. Vzniká elektřina a jako vedlejší produkt pára a oxid uhličitý. Metoda katalytického reformování byla použita v souvislosti s palivovými články již dříve, ale dost nešťastně. Tepelného efektu se využívalo přímo v článku, což vystavovalo keramické části článku nerovnoměrným teplotám s dopadem na jeho životnost. Nový systém využívá externí zařízení. Klíčem úspěchu je výměník tepla se stěnami z tepelně vodivého kovu podobného materiálu. Ten plyny odděluje, na jedné straně jsou vedlejší produkty provozu článku - „výfuk“. Druhá strana nasává zprvu chladnější plyn, který směřuje do palivového článku. Výměník tepla je ze spletí drobných kanálků tenčích než drátek kancelářské sponky. Navzdory tomu k „protlačení“ plynů přes zatáčky kroutících se kanálků není třeba enormně zvyšovat tlak.


K vylepšení účinnosti systému přispěla i recyklace, při níž se využívá část páry a plynu vznikající na anodě. Systém tím šetří energii, kterou by jinak musel k tvorbě páry využívat přídavné elektrické zařízení. Při tomto vracení páry do cyklu se dokonce zužitkují i zbytky paliva, které napoprvé prošly celým článkem bez užitku. Kombinace využití externí páry k přeměně paliva a recyklace výfukových plynů činí systém vysoce efektivním. Laboratorní testy ukázaly, že má čistou účinnost od 48,2 procenta při odběru 2,2 kW a 56,6 procenta př 1,7 kW. Dalšími úpravami má stoupnout nad 60 procent.



Výhodou tohoto typu článku je rychlý průběh reakcí na elektrodách, což mu dodává na „pružnosti“ v reakcích na zatížení. Vysoká pracovní teplota dovoluje možnost přímé konverze jak zemního plynu, tak i jiných druhů uhlíkatých paliv. Výrobce bohužel nic neuvádí o problémech, s nimiž se tyto články potýkají. Jde například o pnutí materiálů, k němuž dochází při vysokých provozních teplotách. Zapomenout také musíme na rychlý start. Elektrody i elektrolyt jsou z keramických materiálů a těm opakované změny teplot také zrovna nesvědčí. Časté starty by mohly přivodit jejich náhlý konec. Nectnosti by snad mohla vyvážit vysoká životnost a nekorozivnost článků. Díky keramice odpadají problémy, které mají systémy s kapalnými elektrolyty. Výhodou je, že článek prakticky nemá žádné požadavky na tvar. S jeho brzkým zavedením do aut to ale zatím moc horké nebude. Navzdory zmíněné „pružnosti“ se i této novinky stále týká to, co je pro všechny palivové články typické - reakce na změnu zátěže je u všech pomalá. Ani tento není schopen dodat více proudu, než kolik dovoluje použitý katalyzátor, což nenabízí možnot dostatečně rychlé odezvy na nároky automobilového elektromotoru. Bezproblémové by tedy zatím mohlo být jeho uplatnění jen tam, kde požadujeme relativně konstantní proudový odběr. Optimisté ale jsou názoru, že požadavek momentálně velké spotřeby při rozjezdu auta, předjíždění a při velkých stoupání, by šlo řešit paralelně zařazenými akumulátory, které se u elektrokolek již běžně používají. Kéž by měli pravdu.


Prameny:

Pacific Northwest National Laboratory
M Powell, K Meinhardt, V Sprenkle, L Chick and G McVay, "Demonstration of a highly efficient solid oxide fuel cell power system using adiabatic steam reforming and anode gas recirculation," Journal of Power Sources, Volume 205, 1 May 2012, Pages 377-384, http://www.science … 775312001991

Datum: 03.06.2012 10:06
Tisk článku

Související články:

Fotovoltaické články fungující i v noci     Autor: Martin Tůma (01.08.2011)
Nový typ solárního článku mění na elektřinu světlo i teplo     Autor: Dagmar Gregorová (17.08.2010)
Solární články nanášené jako barva     Autor: Dagmar Gregorová (26.08.2009)



Diskuze:

odpověď

Karel Štolc,2012-06-05 17:52:51

Trend pohyb cen fosilních zdrojů energie neodpovídá pohybům nákladů na jejich těžbu - jsou především otázkou obchodní politiky a spekulací (viz u nás pohyb cen pohonných hmot s pohybem ceny ropy) - nůžky se stále rozevírají a zisky rostou nade všechny meze. Pokud neklesne cena těchto zdrojů k hladině nákladů, bude jejich těžba stále zisková. Pŕi poklesu cen celkový zisk řízený výší zisku z jednotky produkce nahradí celkový zisk řízený objemem poptávky, která může být mnohem vyšší nežli současná.
KJS

Odpovědět

Tom Benda,2012-06-04 13:30:59

Ahoj Karle, omlouvám se za odbočku od tématu, ale rád Tě po letech potkávám a prosím, napiš mi na můj osobní email. Měl by se zobrazit u příspěvku. Viděli jsme se tuším na ČBA 2005 v Kongresáku.

Odpovědět

energie kontra fosilní paliva

Karel Štolc,2012-06-03 20:54:43

Je to skvělé, ale velice mne překvapuje neustálá naprosto mylná představa, že alternativní zdroje energie nás zbaví závislosti na fosilních palivech, exhaláty s CO2 a pod. Ani náhodou. Lidstvo vždy spotřebovalo jakékoli dostupné zdroje energie. Stejně tak zavádějící je šetření ropy auty na vodík. Pokud není vyroben elektrolýzou pomocí alternativní energie, pak se produkce CO2,a pod. přesouvá pouze do elektráren + energetické ztráty. I revoluce vznikaly tehdy, když došlo ke kontroversi systému a neuspokojení potřeby energie. Bylo by to možné za jediného předpokladu, že se fosilní zdroje zapečetí, což se nestane, neboť dle těžařů "nejdražší je uhlí a ropa v zemi". Pokud je přestanou využívat rozvinuté země, klesne jejich cena a vrhnou se na ně rozvojové země s daleko menší energetickou účinností..... Veškeré alternativní zdroje jen zvyšují konsum energie a ušetřená energie se využije jinde.Proto nemají kšeftaři s fosilní energií strach zjakýchkoli šetrných technologií.
KJS

Odpovědět


Není problém?

Petr Vrána,2012-06-04 11:51:45

Problémem pro těžbu by mohlo být "klesne jeho cena". Teď se vyplatí těžit dost draze skoro kdekoliv. Přijde mi to ale jako dost teoretické.

Odpovědět


zavislost

Milan Tuček,2012-06-07 12:54:28

Urcite mate pravdu, ale myslim, ze je zde jeste jeden podstatny uhel pohledu. Rozvinute zeme potrebuji energii a paliva a rozvojove az zaostale zeme je maji... a krapet nas drzi za koule - predevsim s ropou. Clovek si ani nedovede predstavit, co by se se svetem stalo, kdyby se Evropa a USA dokazaly zbavit zavislosti na rope a arabum (a dalsim) by z toho prestaly tect prachy? To by se tam jako naucili krome modleni i pracovat? A co bysme delali my, kdyz by oni prestali od nas nakupovat zbrane, technologie a dalsi veci? Myslim ze tohle je nejvetsi brzda rozvoje... svetovy rad.

Odpovědět

Začíná to být zajímavé...

Asdf Fdsa,2012-06-03 14:48:31

Pokud by se podařilo tuto technologii vyrobit pro MW-GW měřítko, tak se snad přestanu smát zastáncům obnovitelných zdrojů.
Výroba vodíku až 80%, zpětná přeměna dle článku až 93%... tzn. že by bylo potřeba nadhodnotit výkon o nějakých 35% a to už nevypadá tak hrozivě.

Odpovědět

to potom bude v síti 220-380 V a 50-60 Hz, nebo 0

Josef Hrncirik,2012-06-03 14:43:46

Odpovědět

chybí naprosto zásadní údaje o objemové či

Josef Hrncirik,2012-06-03 12:32:54

hmotnostní hustotě elektrického výkonu a analogicky o uchladitelné tepelné ztrátě vlivem nerovnovážnosti elektrodových dějů a vnitřního odporu článku. V režimu silného zatížení pak článek může mít blíže k infračervenému radiátoru, než si lze u el. zdroje přát. Pouze při malých zatíženích a průtocích palivo neuteče nespáleno. Methan se skladuje jemom o trochu lépe než vodík. Oproti petroleji či naftě nesrovnatelné. Pokud musím reformovat methan či uhlovodíky, vyžaduje to buď vozit stejné množství vody jako paliva a před článkem směs reformovat. Nebo spaliny složitě separovat a recyklovat. To už je lepší tuto vodu přeměnit na páru při vnitřním chlazení stěn válce nebo výfuk. plyny a ev. prohnat parním strojem. Tepelný stroj má malou účinnost, protože nemůže pracovat bez chlazení (pevnost a funkčnost válce, pístů či lopatek). Podstatná část tepla je odvedena chlazením, proudění chladiva odebírá mechanickou energii a teplo ve spalinách není využito. Dejme tomu, že mě zajímá hmotnost a objem zdroje (i s motorem) výkonu 30 kW a zásobou paliva na 4 hodiny, tj. zisku 120 kWh na hřídeli.

Odpovědět


Metan versus vodík

Vojtěch Kocián,2012-06-03 21:08:41

Jenom drobnost: To, že metan je možné zkapalnit při pokojové teplotě a to, že nedegraduje materiál svého obalu tak výrazně jako vodík, bych nenazval "jen o trochu lépe". Když se k tomu připočte několikanásobně vyšší hustota v kapalném stavu, jde o výrazně lepší skladovatelnost. Samozřejmě látky kapalné při normální teplotě a tlaku (nafta, benzín, metanol, etanol...) jsou na tom zase o dost lépe, ale vidím v tom slušný pokrok.

Odpovědět


Methan vs H2

Jakub Januščák,2012-06-18 15:52:21

kritická teplota methanu je cca -80°C, což je od izbovej teploty teda malinko vzdialené, hlavne by ma ale zaujímalo jak degraduje vodík svoj obal?

Odpovědět

-

Zdeněk Jindra,2012-06-03 11:45:58

Až se u nás zavede jako v USA možnost malého odprodeje elektřiny zpátky do sítě, což se obvykle používá spolu se solárními panely, tak možná lidi investují i do palivových článků.

Odpovědět


prodej elektriny

Milan Tuček,2012-06-07 12:49:22

A u nas to nejde? Myslel jsem ze ano, proto asi byl takovy humbuk kolem solarnich plantazi pred par lety, ne?

Odpovědět


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