Univerzita Pardubice, Ústav elektrotechniky a informatiky Komunikační a mikroprocesorová technika Semestrální práce z předmětu Elektronické napájecí zdroje Téma: Palivové články a vodíkový pohon
Palivové vodíkové články Úvod: Získávání energie je v současnosti založeno v převážné míře na využívání tzv. neobnovitelných zdrojů. Ty tvoří především ropa, uhlí a zemní plyn. Podle aktuálně zveřejněných dat společnosti British Petroleum však budou při současných trendech produkce energie celosvětové zásoby ropy vyčerpány za 40 let, zemního plynu za 65 let a uhlí za 200 let, a to i přes nově objevovaná naleziště, neboť jejich přídavný potenciál je kompenzován rostoucí spotřebou. Primární energetický sektor ve světě dnes využívá kromě fosilních paliv (uhlí 23%, ropa 35%, zemní plyn 21%) v menší míře i uran (7%) a na významu začínají nabývat i tzv. obnovitelné zdroje energie (voda 2%, biomasa 11%, ostatní 1%). Energie ze všech jmenovaných zdrojů je spotřebovávána v elektroenergetice, teplárenství, dopravě, průmyslu, domácnostech a službách. Je zřejmé, že dominantním zdrojem energie je stále spalovaní fosilních paliv. Kromě problému tzv. neobnovitelnosti zdroje je zde další alarmující varování, a to značná produkce CO 2 a ostatních látek negativně působících na naše životní prostředí (popílek, plyny jako NO x ; C n H 2n+2, SO 2 ). Tento způsob získávání energie se také vyznačuje nízkým stupněm účinnosti a světovými odborníky je označován pojmem One Way Technology Co jsou to palivové články, na jakém principu je tento druh pohonu založen? Palivové články samy o sobě nepředstavují žádný pohon. Palivový článek je měnič, v němž se uvolňuje chemická energie během oxido-redukční reakce a transformuje se v energii elektrickou. A teprve potom může přijít na řadu pohon: získanou elektrickou energii můžeme použít k napájení elektromotoru, který může pohánět např. vozidlo. Ale co je to vlastně ten palivový článek? Čtenář si možná vzpomene na školní pokus, při kterém byla stejnosměrným proudem rozkládána voda a u elektrod bylo možno samostatně jímat bublinky kyslíku a vodíku. Palivový článek je možno si představit jako tuto elektrolýzu úplně naruby. Totiž tak, že k jedné elektrodě přivádíme vodík (nebo případně uhlovodíkové palivo), ke druhé elektrodě kyslík nebo okysličovadlo, přitom je mezi elektrodami místo vody jiný vhodný elektrolyt a za přítomnosti katalyzátoru zde dochází k chemickému slučování kyslíku a vodíku na vodu, přitom na elektrodách vzniká elektrické napětí a mimo to reakce produkuje obvykle i teplo. Ale žádný plamen, žádné výbuchy, v naprosté tichosti probíhá přímá přeměna energie paliva na elektrickou energii. Navíc prakticky nevznikají žádné škodlivé emise, pouze vodní pára (při použití uhlovodíků též kysličník uhličitý). Úplná nádhera, ale přece to má jednu podstatnou nevýhodu: je to zatím pořád ještě velmi drahé. Velmi podrobný a odborný popis principu palivových článků vyšel u nás již před lety, např. v publikaci: R. Bonnefille, J. Robert: Přímá přeměna energie; Praha, SNTL 1977, 155 s. (Palivové články viz s. 79-120). Překlad z francouzského originálu. V knize je princip popsán dosti podrobně, ale převážně teoreticky, takže pokud čtenář nemá z chemie alespoň maturitu, tak mu tato četba asi moc radosti neudělá. Praktická aplikace palivových článků není nijak nová, už v šedesátých letech byly užívány v kosmickém výzkumu například v projektu Apollo, kde byl potřeba lehký a ekologicky čistý zdroj tepla i napájení přístrojů. Na přelomu osmdesátých a devadesátých let byly prakticky - 1 -
tytéž palivové články použity například v pokusném nízkoenergetickém domě Fraunhofferova ústavu. Spotřebovávaly zde vodík, vyrobený přes léto elektrolýzou vody elektrickým proudem, získaným ze sluneční energie pomocí fotovoltaických článků. Byla ověřena dobrá funkce systému, přičemž palivové články byly umístěny dokonce přímo ve vzduchovodu klimatizace domu. Je patrné, že v obou případech se jedná o velmi výjimečné projekty, kdy příliš nezáleželo na penězích, resp. kdy byly daleko důležitější výhodné vlastnosti palivových článků a peníze byly přitom nejdříve tak na třetím nebo dalším místě. Takový přístup ale není myslitelný při plošném nasazení v praxi. Řada špičkových výzkumných laboratoří se již nejméně dvě desítky let snaží tuto dříve kosmickou techniku přiblížit praxi, tedy především významně zlevnit. Je to proces trochu podobný jako u polovodičů, ale bohužel zdaleka ne tak rychlý. Hlavním cílem je jistě zkonstruovat ekologicky čistou náhradu pístových spalovacích motorů, ovšem za přijatelnou cenu. Elektromotory jsou již dávno k dispozici, nyní navíc mohou být výhodně doplněny inteligentním elektronickým řízením. Zbývá "jen" přidat účinný, spolehlivý, lehký a levný mobilní zdroj elektrické energie. Úsilím vědců byly postupně vyvinuty palivové články zhruba šesti druhů, které se liší palivem (vodík, metan, jiné uhlovodíky) a provozními parametry, zejména pracovní teplotou. Podle toho lze hodnotit i jejich vhodnost nasazení ve vozidlech. Na jakém principu pracují motory poháněné vodíkem? O vodíku se již dlouho uvádí, že je palivem budoucnosti. Akorát nikdo přesně neví, kdy ta jeho pravá chvíle přijde. Jeho největší přednosti jsou: možnost výrazného snížení obsahu škodlivých emisí ve spalinách a velká výhřevnost kilogramu vodíku. Nejelegantnější využití vodíku představují nepochybně výše zmíněné palivové články, které samy sice nejsou motorem, protože neprodukují přímo mechanickou práci, ale ve spojení s elektromotorem mohou vytvořit kvalitní pohon vozidla. Vodík však může být také palivem prakticky v kterémkoliv ze současných druhů spalovacích motorů, jako je pístový, proudový nebo raketový. Může zde nahradit dosud běžná uhlovodíková paliva. Motory k tomu musí být ovšem upraveny. Za to se odvděčí podstatně nižšími koncentracemi škodlivých emisí ve výfuku, přitom pochopitelně zcela odpadají emise CO a CO2. Nezbytné úpravy se týkají nejen spalovacího prostoru motoru, ale také palivové soustavy, počínaje nádrží ve vozidle, až po vhodné dávkování paliva do spalovacího prostoru. A nestačí ani to, vně vozidla musí být vybudován samostatný systém distribuce a plnění vodíkového paliva - výdejní stojany, nádrže, cisterny, systém rozvozu. Náročnost budování infrastruktury vodíkového paliva si může čtenář představit jako obdobu budování plnicích stanic LPG (zkapalněný propan-butan) pro vozidla, které se u nás během posledního desetiletí dobře zavedly. Podobné je to také u plnicích stanic na CNG (stlačený zemní plyn), které jsou v některých zemích běžné a i u nás se v dohledné době zřejmě více rozšíří. U vodíku to však bude technicky náročnější než u LPG a CNG dohromady. Vodík může být uchováván dokonce obojím způsobem, jak ve stlačené tak ve zkapalněné formě, ale je to prašť jako uhoď, obojí přináší značné technické problémy. Jedná se totiž o vysoké tlaky a při zkapalnění i mimořádně nízké teploty (jen 20 K, tj. - 253 C). Z toho důvodu například výdejní stojan pro vodíkové palivo musí být konstruován jinak než jsme zvyklí, koncovku plnicího potrubí připojuje k ventilu na automobilu robotizovaná ruka. Připojování i plnění je dosti nebezpečné a proto je nejlépe, když probíhá bez přímé přítomnosti člověka. Takové zařízení je ve zkušebním provozu na letišti v Mnichově, na vodík zde pokusně jezdí upravené osobní automobily a autobusy. - 2 -
Vysoká výhřevnost kilogramu vodíku je lákavá, ale v praxi je také důležité, kolik kilogramů bude přitom vážit a kolik místa ve vozidle zabere silnostěnná a tepelně izolovaná palivová nádrž. Některé další problémy vodíku: - tvoří třaskavou směs se vzduchem - problém větrání garáží, autoservisů apod., - díky malé molekule proniká téměř každým těsněním, šroubením i ventily, - stlačování a zkapalňování vyžaduje značné výdaje energie navíc. Speciální tlakové nádoby, stlačování i řada nutných bezpečnostních opatření činí vodíkové palivo v konečném hodnocení dosti drahým v porovnání s tekutými uhlovodíkovými palivy, která vystačí s lehkými nádržemi bez tlaku. Proto zřejmě jen velmi urgentní okolnosti mohou přispět k jeho skutečně plošnému užívání. Počítá se, že by k tomu mohlo dojít při blížícím se vyčerpání fosilních uhlovodíkových paliv, tj. řádově během 20-50 let. Pro bližší budoucnost výrobci vozidel stále hledají provozně levnější a relativně méně nebezpečná tekutá paliva. Horkým favoritem se přitom může stát methanol, který lze poměrně jednoduše vyrábět synteticky. Jeho hlavní a skoro jedinou nevýhodou je jedovatost, naproti tomu podobně jako vodík může být methanol použit jak do pístových spalovacích motorů tak i do určitého typu palivového článku. Ve spalovacích motorech má i určité přednosti, a to i z hlediska emisí. V tomto ohledu může vodíku vyrůst poměrně nečekaná a přitom zdatná konkurence. Historie: Princip palivového článku byl objeven už v roce 1838 švýcarským vědcem Christian Friedrich Schönbein. Popsal jej v článku, který vyšel 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 svítiplynem. 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 dynama Wernerem von Siemensem palivový článek upadl částečně v zapomnění. V roce 1932 sestrojil Francis Bacon první prakticky použitelný článek s elektrolytem tvořeným hydroxidem draselným. V roce 1952 měl zdroj, založený na tomto článku výkon 5 kw. 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 programu Apollo, ale jsou zdrojem energie i pro současné raketoplány. Struktura: Palivový článek se skládá ze dvou elektrod, které jsou odděleny membránou nebo elektrolytem. K anodě je přiváděno palivo (např. vodík, methan, methanol, kyselina octová, roztok glukózy), které je zde oxidováno. Ke katodě je přiváděno oxidační činidlo (např. kyslík, peroxid vodíku, thiokyanát draselný), které se zde redukuje. - 3 -
Elektrody jsou většinou zhotoveny z různých kovů, nebo může jít o uhlíkové nanotrubičky. Mohou být potaženy katalyzátorem (např. platinou nebo palladiem), čímž se dosahuje vyšší účinnosti. Dnes se standartně používají elektrody s množstvím katalyzátoru 5g/m 2. Jako elektrolyt mohou sloužit různé kyseliny(převážně H 3 PO 4 ) nebo zásady(nejčastěji KOH), keramiky nebo membrány. U specifiských palivových článků se používaá jako elektrolyt plyn pod vysokým tlakem. Dnes nejpoužívanějším elektrolytem je KOH, který byl použit už u článků v projektu Apolo, jehož nevýhodou je, že oxidovadlo, se musí čistit od CO 2, protože jinak by docházelo k reakci oxidu uhličitého s elktrolytem a vzniklý uhličitan draselný by přestal plnit funkci elektrolytu. Vznikající elektrické napětí je teoreticky okolo 1,23 voltu a závisí na typu paliva a kvalitě článku. U dnes nejpoužívanějších článků dosahuje nejčastěji napětí 0,95V. Aby se dosáhlo vyššího napětí, zařazuje se více palivových článků do série. Reakce: Palivo (například vodík) je na anodě katalyticky přeměněno na kationty (v příp. vodíku ionty H+). Uvolněné elektrony jsou vychytány anodou a vytváří elektrický proud, který teče přes elektrický spotřebič ke katodě. Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O2-), a ty pak reagují s H+ ionty na vodu. - 4 -
Chemické rovnice: Oxidace / odevzdání elektronu Redukce / přijmutí elektronu Redoxní reakce Vodík / palivové články Vodík je předmětem současného intenzivního výzkumu jako potenciální palivo pro motorová vozidla. Využití vodíku v dopravě je v podstatě dvojí. 1. Spalování vodíku v klasických motorech Vodík (stlačený nebo zkapalněný) se spaluje obdobně jako běžné pohonné hmoty. Při spalování vodíku vzniká jenom neškodná voda a malé množství kysličníků dusíku. Tento způsob má v současnosti ovšem dvě podstatné nevýhody: výroba vodíku je v dnešní době drahá vodík ve směsi se vzduchem je silně výbušný. 2. Využití vodíku v palivových článcích Pohonnou jednotkou ve vozidle elektromotor a elektřina pro něj je, na rozdíl od elektromobilů poháněných akumulátory, vyráběna přímo ve vozidle v palivových článcích. Elektřina vzniká exotermní elektrochemickou reakcí samotného vodíku (stlačeného nebo zkapalněného), nebo vodíku chemicky vyvinutého rovněž v automobilu (např. ze zemního plynu, metanolu, benzínu apod.) s kyslíkem (ze vzduchu). Kromě elektřiny vzniká také voda nebo vodní pára. Nejedná se tedy o spalování paliva, nýbrž o chemickou reakci - opak elektrolýzy. Proti klasickým akumulátorům elektromotorů mají palivové články řadu výhod, především: vyšší jízdní dojezd ekologickou čistotu vyřazené palivové články nezatěžují životní prostředí těžkými kovy jako klasické olověné akumulátory. - 5 -
Řada světových automobilek již řadu let palivové články pro automobily vyvíjí, několik desítek automobilů již v praxi jezdí a je jen otázkou času, kdy palivové články nahradí klasické pohonné hmoty. Díky mnohem menším nákladům na spalovací motory v porovnání s palivovými články se zdá, že varianta spalování vodíku bude preferovanějším řešením do doby výrazného snížení nákladů palivových článků nebo do doby zvýšení jejich účinnosti energetické přeměny. Je potřeba zdůraznit, že vodík není energickým zdrojem, ale nosičem energie!!! Vodík má výhody (obdobně jako elektřina), že může být vyráběn z různých energetických zdrojů a (na rozdíl od elektřiny) může být skladován. Může být vyráběn elektřinou vyráběnou z nízkouhlíkatých paliv (zemní plyn) nebo elektřinou nukleární nebo z obnovitelných zdrojů. Budoucnost ukáže, zda přímé užití zemního plynu jako paliva nebo jeho konverze na vodík a následné užití v palivových článcích přinese větší výhody. Potenciální výhody vodíku jako motorového paliva budou dosaženy po dalším úspěšném technologickém vývoji zásobníků vodíku a technologie palivových článků a po nákladných investicích do výroby vodíku a jeho distribuce. Zatímco ostatní alternativy mohou být využívány v již existujících vozidlech (biopaliva), dosažitelnými palivy (zemní plyn), vybudovanou infrastrukturou (biopaliva, částečně zemní plyn), vodík/palivové články začínají na startovní čáře. Jedná se rozhodně o nejnadějnější alternativu ke klasickým benzínem nebo naftou poháněným vozidlům, ale bude trvat ještě mnoho let, než dojde k plně komerčnímu využití. Autobus na stlačený vodík na letišti v Mnichově Prototyp autobusu využívajícího palivové články - Barcelona - 6 -
Vodíková čerpací stanice - Barcelona Model "autíčka na vodík" firmy HELIOCENTRIS Model "ECO Junior" firmy H-TEC Vůz automobilky Opel - Necar 3 Využití palivových článků v různých druzích dopravy - 7 -