Palivové články pro výrobu elektřiny a tepla pro domácnosti

Jednou z možností zásobení obydlí elektřinou a teplem je využití palivových článků. Palivové články dokáží přeměnit energii chemické reakce na elektřinu s účinností až 70 %, zbytek je teplo, které lze využít pro ohřev vody a vytápění. Palivový článek by mohl být výrazným vykročením k vyššímu samozásobení domů energií a ke zlepšení účinnosti využití energetických zdrojů.

Vynález palivového článku se podle Wikipedie datuje do 1838, jeho vynálezce, švýcarský vědec Christian Friedrich Schönbein, o něm publikoval v lednu 1839. Jev, kdy chemickou reakcí plynů vzniká elektrický náboj, ovšem už roku 1802 zaznamenal Sir Davy Humphrey, který rozkládal pomocí elektrického proudu vodu na kyslík a vodík. Přitom si všiml, že po odpojení zdroje elektrického proudu se na elektrodách vytvořil slabý elektrický náboj. Jev však nevysvětlil.

Po vynálezu dynama lidstvo vývoj palivového článku na dlouhá léta odložilo. Oživení přišlo až po 2. světové válce, kdy se hledaly účinné zdroje elektřiny např. pro mořská, později vesmírná plavidla. Německé námořnictvo, které nesmělo provozovat jaderné ponorky, vyvinulo pro svá plavidla palivové články o výkonu 30 kW, později 120 kW. Také vesmírná plavidla, kde je palivem vysoce energetický kapalný vodík, jsou vybavena vodíkovými palivovými články. Byly to např. kosmické lodě Apollo nebo americké raketoplány, kde byly palivové články o výkonu 7 kW, špičkově až 12 kW.

Výhody palivových článků

Hlavní výhoda je v tom, že palivový článek dokáže 70 % energie, která by se jinak uvolnila prostým hořením, převést na elektřinu. Kdybychom palivo nechali normálně hořet, vyrobili páru a poháněli turbínu, dosáhli bychom účinnosti jen asi 35 %.

Jako palivo se používá vodík, vodík připravený parním reformováním uhlovodíků, zemní plyn, bioplyn, metanol a mnoho dalších, včetně mletého uhlí. Oxidačním činidlem je kyslík nebo vzduch. Záleží na typu palivového článku.

Je zřejmé, že široké nasazení palivových článků je způsob, jak velmi efektivně, zejména v domácnostech, vyrábět zároveň elektřinu a teplo. Energetická účinnost je pak cca 85 %.

Princip funkce

Nositelem energie v chemických látkách jsou vazebné elektrony v molekulách, tedy elektricky nabité částice. Tytéž, které vedou elektrický proud, akumulují či transportují elektrickou energii.

Chemická reakce není nic jiného, než že vazebné elektrony (říká se jim také valenční), které váží atomy do molekul, se přeskupí do nových vazeb v nových molekulách.

Nás zajímají exotermní reakce, které uvolňují teplo. To naznačuje, že nové molekulární orbitaly jsou pro elektrony výhodnější a že k „bytí” v nich nepotřebují tolik energie. A tak ji odevzdávají.

Naším cílem je, aby valenční elektrony neodevzdaly přebytky energie jen jako teplo do reakční směsi, nýbrž aby doputovaly do „klidnějších vod” nových molekul oklikou přes elektrické zařízení a až v něm odevzdaly přebytek energie. To zajistí palivový článek.

Ukažme si to na příkladu vodíkového palivového článku s elektrolytem, jímž je vodný roztok hydroxidu draselného KOH. Palivem je vodík H₂ a oxidačním činidlem kyslík O₂. Vodík při hoření na vodu uvolňuje obrovské teplo, což potřebujeme. Na jednu z elektrod, která je vytvořena z porézního, elektricky vodivého materiálu, přivádíme vodík. Ten spontánně reaguje s hydroxylovými ionty elektrolytu za vzniku vody, tepla a elektrické energie:

4OH^– + 2H₂ → 4H₂O + 4e^–

Vzniklé elektrony nemohou samy putovat elektrolytem k protilehlé elektrodě s kyslíkem. Ledaže by zreagovaly s vodou na vodík a ionty OH^–, jenže z tohoto stavu právě utekly, byl energeticky nevýhodný. Nevýhodná je i redukce kationtů K⁺ uvolněnými elektrony. Vzniká draslík, který ihned reaguje s vodou za vzniku vodíku a iontů K⁺ a OH^–. A jsme na začátku, který je energeticky nevýhodný. Tento děj přesto zčásti probíhá a zásobuje vodíkovou elektrodu ionty OH^-.

Nejsnazší cestou je doputovat k protilehlé elektrodě „objížďkou” přes elektrický spotřebič, kde elektrony odevzdají část své „přebytečné energie”. Na elektrodě vstoupí do spontánní reakce s kyslíkem:

4e^– + 2H₂O + O₂ → 4OH^–

Tím se kruh uzavírá. Ze dvou molekul vodíku a jedné molekuly kyslíku vzniknou dvě molekuly vody, jako při hoření. Z jednoho litru vzniklé vody se uvolní 4,4 kWh energie a z toho – v palivovém článku – až 70 %, tj. přes 3 kWh, ve formě elektrické energie. Zbytek je teplo, které využijeme k ohřevu vody nebo k vytápění. Je to obrácený poměr, než když vodík necháme shořet a vzniklé teplo přeměníme v elektřinu v tepelné elektrárně (více o tom zde).

Vodíkové palivové články

Napětí vodíkových palivových článků je do 1,2 V. Pro docílení vyšších napětí je třeba řadit několik článků za sebou. Vodíkový článek je vzorem vysoké účinnosti i výkonnosti.

Komplikací je, že se vodík vyrábí pomocí elektřiny (elektrolýzou vody), která pochází hlavně z (málo účinných) uhelných elektráren. Ale to se může změnit. Již dnes mají některé země vysoký podíl prvovýroby elektřiny založený na vodní energii (vodní a přílivové elektrárny), fotovoltaice a větrnících. Rýsuje se cesta, že přebytky této energie budou akumulovány do vodíku a pak účinně odebírány pomocí palivových článků v podobě elektřiny.

Další nepříjemnost je v tom, že se vodík nedaří dlouhodobě skladovat v nádržích. Jeho molekuly jsou totiž tak malé, že difundují i krystalickými mřížkami kovových plášťů, těsnicími materiály ap.

Uhlovodíkové palivové články

Tyto potíže vedly k tomu, že se pro palivové články používají také paliva obsahující vodík (metan, zemní plyn, etanol). Vodík se z nich musí uvolnit reformovacím procesem, který spočívá v působení horké páry. Některé vysokoteplotní palivové články reformování zvládají přímo v článku.

Využití metanu a lehkých uhlovodíků v palivových článcích je velmi nadějné. Metan vzniká ve velkém množství odbouráváním organických látek rostlinného a živočišného původu za nedostatku vzduchu. Tedy v půdě, pod vodou, v trávicích soustavách živočichů. Jeho světové zásoby stále rostou a k tomu se ukázalo, že metan produkují i živé rostliny. Metan je, stejně jako dřevo, vlastně obnovitelný zdroj energie.

Čeká se i na to, až bude očištěn z nepodloženého obvinění z globálního oteplování. To je vystavěno na tom, že metan je 7× až 300× (co autor, to jiné číslo) silnější skleníkový plyn než CO₂, a že se po vypuštění drží v ovzduší desítky let, a proto se tu stále hromadí. To však nekoresponduje s exaktními experimenty, že metan již v okamžiku, když přechází z anoxické do oxické zóny, rozumějme z bláta na vzduch ap., je z 90 % zoxidován. Poločas jeho „vymizení” ze vzduchu je tak v řádu hodin. Nejspíš i proto je ho v atmosféře asi 1000× méně, než CO₂, a jeho „přírůstky” nevýrazné nebo žádné.

Význam pro stavebnictví

Palivový článek má mimořádný potenciál v bytové výstavbě. Mnozí výrobci si to uvědomují a připravují pro zákazníky, včetně uživatelů rodinných domů, zajímavé programy. Pointa je v tom, že tak vzroste energetická provozní účinnost domů, jednak díky lepšímu využití energie a dále díky snížení tzv. faktoru energetické přeměny. Veškeré energetické potřeby lze řešit přípojkou plynu a přitom lze nabídnout přebytky elektřiny k odkoupení. Pokud to umožní zákony. Byl by to významný krok k energetické soběstačnosti až na úrovni rodin a jednotlivců.

Význam palivových článků může rychle vzrůst, jestliže přejde metan z kategorie málem zakázaných fosilních zdrojů energie do kategorie obnovitelných zdrojů. A byl využit pro kogenerační výrobu elektřiny a tepla, zejména ve výstavbě bytů.

Kdo bude první

Je pravděpodobné, že nasazení palivových článků je v technických možnostech celé řady zemí a výrobců. To se týká nejen tradičních průmyslových zemí jako USA, Německo a Japonsko. Konečně na intenzivním výzkumu se podíleli či podílejí i technici z ČR.

Nejhlasitěji se pravděpodobně ale ozývá Japonsko, jmenovitě společnost Panasonic, která už před více než rokem „pustila” do médií heslo „Za tři roky budeme doma v Evropě topit i svítit z palivových článků Panasonic” (8. října 2010, Technet.cz). Tato společnost slibovala, že za tři roky (v roce 2013) „začne do Evropy dovážet domácí palivové články, takže v ideálním případě taková domácnost nebude závislá na standardní elektrické síti.”

Citujme ještě Technet.cz:

• První palivové články pro domácnosti by se evropském trhu měly objevit už v roce 2013. První přijde na řadu zřejmě Německo a Velká Británie. Podle BBC tamní vláda počítá s tím, že by takto získaná energie mohla pokrýt až jednu třetinu celkové energetické potřeby země.
• Před zahájením vývozu do Evropy plánuje Panasonic zvýšení výkonu na 3 kW. Stávající verze (1 kW) dokáže vytápět a zásobovat teplou vodou i elektřinou dva pokoje a koupelnu s kuchyní. Spotřeba počítá se čtyřmi lidmi v domácnosti.
• Na japonském trhu jsou palivové články „poháněné” vodíkem od května 2009, kdy Panasonic vyrobil první kus. Ve své oficiální rezidenci ho má nainstalovaný japonský premiér (v té době jím byl Yukio Hatoyama). Běžné domácnosti si mohly palivový článek pořídit až od roku 2010.
• V Japonsku si vytápění, teplou vodu a veškerou elektřinu získávanou z palivového článku pořídilo přes pět tisíc domácností.
• V Japonsku distribuují palivové články plynárenské společnosti. K výrobě vodíku se totiž přímo v jednotce využívá zkapalněný zemní plyn (LNG).