Palivový článek

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Toyota FCHV – hybridní vozidlo s pohonem využívajícím palivové články

Palivový článek je galvanický článek, který vyrábí elektřinu z energie uvolňované při chemické reakci kontinuálně přiváděného paliva s oxidačním činidlem. Obvykle se tímto pojmem míní kyslíko-vodíkový palivový článek.

[editovat] Pozadí

Přeměna chemické energie na elektrickou se většinou děje v generátorech oklikou přes 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 vodíkového pohonu automobilů. Vodík může být vyroben např. pomocí elektrolýzy vody a kyslík je obsažen v atmosféře. Skladování vodíku v automobilových nádržích je zatím problematické (vodík je ve směsi se vzduchem vysoce výbušný). Navíc účinnost celého cyklu (elektřina->vodík->elektřina dosahuje jen asi 30-40%.

V současnosti jsou už palivové články používány v raketoplánech a v ponorkách.

[editovat] 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. Termím „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.

[editovat] Struktura

Palivový článek se skládá ze dvou elektrod, které jsou odděleny membránou nebo elektrolytem. K anodě je přiváděno palivo (např. vodík, methan, methanol, roztok glukózy), které je zde oxidováno. Ke 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 katalyzátorem (např. platinou nebo palladiem), čímž se dosahuje vyšší účinnosti.

Jako elektrolyt mohou sloužit různé kyseliny nebo zásady, keramiky nebo membrány.

Vznikající elektrické napětí je teoreticky okolo 1,23 voltu a závisí na typu paliva a kvalitě článku. Aby se dosáhlo vyššího napětí, zařazuje se více palivových článků do série.

[editovat] Reakce

schematické vyjádření dějů v palivovém článku

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 (O^2-), a ty pak reagují s H⁺ ionty na vodu.