Palivový článok

Palivový článok je elektrochemické zariadenie, ktoré premieňa priamo chemickú energiu paliva a okysličovadla (oxidačného činidla) na elektrickú energiu. Palivové články sú zdrojom jednosmerného elektrického prúdu. V palivových článkoch je teda zmena Gibbsovej energie ΔG priamo premieňaná na elektrickú energiu, nedochádza k horeniu paliva, t.j. neprebieha priama reakcia (horenia) medzi palivom (ako napr. H2) a oxidačným činidlom (ako napr. O2). Palivo, ktoré je zdrojom elektrónov (zdrojom energie), sa oxiduje na anóde. Ako palivo sa využívajú plynné látky (vodík, oxid uhoľnatý, uhľovodíky), kvapalné látky (alkoholy, elektrolyty rozpustené v kvapalinách), pevné látky (uhlík). Oxidačné činidlo je terminálnym akceptorom elektrónov, redukuje sa na katóde. Elektródy palivových článkoch majú významný vplyv na rýchlosť priebehu redoxných reakcií v palivových článkoch, zhodnou voľbou elektród sa musí zabezpečiť zníženie aktivačnej energií redoxných reakcií. Na tento účel sú vhodné uhlíkové, niklové, železné alebo platinové elektródy.

Palivový článok je galvanický článok skladajúci sa z dvoch elektród (anóda a katóda), ktoré sú oddelené membránou alebo elektrolytom. K anóde je privádzané palivo a ku katóde okysličovadlo. Na katóde sa okysličovadlo (väčšinou kyslík) redukuje na anióny O2-, ktoré potom reagujú s iónmi H+ na vodu. Elektródy palivového článku sú katalycky a reaktívne stabilné. Palivové články môžu pracovať nepretržite, ak nie je prerušený prívod paliva alebo okysličovadla ku elektródam.

Použitie
náhľad|Autobus Mercedes-Benz Citaro s pohonom na palivové články
V súčasnosti sa najviac nádeje vkladá do kyslíko-vodíkového palivového článku v rámci vodíkového pohonu automobilov, kozmických lodí a vojenskej techniky. Vodík je dnes najčastejším palivom, avšak môže byť použitý aj zemný plyn alebo metanol. Vodík sa môže získať napríklad pomocou elektrolýzy vody. Potrebný kyslík pre palivový článok môže byť získavaný z atmosféry.

Skladovanie vodíka v nádržiach automobilov je v neustálom vývoji pretože vodík v zmesi so vzduchom je vysoko výbušný.

 Druhy palivových článkov 
náhľad|Alkalický palivový článok (AFC)

 Alkalické palivové články 
Alkalické palivové články (AFC, alkaline fuel cell) majú mdzi palivovými článkami najvyššiu elektrochemickú účinnosť. Elektrolytom alkalických palivových článkov je zriedený roztok hydroxidu draselného (preto názov alkalický). Využíva zásadité prostredie elektrolytu, pretože rýchlosť redukcie kyslíka na vodu je v zásaditom prostredí oveľa vyššia ako v kyslom prostredí. Zásadité prostredie avšak spomaľuje rýchlosť oxidácie paliva oproti kyslému prostrediu. Pracujú pri teplotách od 60 °C do 200 °C. Sú konštruované tak, že ku katóde je privádzaný kyslík pod tlakom, kde dôjde ku redukcii na hydroxidové anióny, ktoré následne putujú elektrolytom k anóde, kde prehne redukcia vodíka na protóny, ktoré protonizujú hydroxidové anióny za vzniku vody. Z priestoru anódy sa uvoľňuje voda. 
náhľad|Článok s vodivým polymérom (PEMFC)

 Články s vodivými polymérmi 
Články s vodivými polymérmi (PEMFC, proton exchange membrane fuel cell) obsahujú elektrolyt, ktorým je iónovo vodivý polymér, ktorý je schopný vymienať protóny (H+), ide o membránu PEM (proton exchange membrane), ktorá je tvorená de facto katexom. Vzhľadom na to, že elektrolytom je plast, pracujú články s vodivými polymérmi pri izbovej teplote, maximálne 100 °C. K anóde je privádzaný vodík pod tlakom, kde je oxidovaný za tvorby protónov a elektrónov. Elektróny sú vedené anódou ku spotrebiču a protóny do vodivého polyméru. Ku katóde je privádzaný kyslík, ktorý je redukovaný na oxidové anióny, ktoré sú protonizované na vodu protónmi z vodivého polyméru. Na rozdiel od alkalických článkov, kde voda vzniká pri anóde, u článkov s vodivými polymérmi vzniká voda pri katóde.
náhľad|Palivový článok s kyselinou fosforečnou (PAFC)

 Články s kyselinou fosforečnou 
Články s kyselinou fosforečnou (PAFC, phosphoric acid fuel cell) sú podobne organizované ako články s vodivými polymérmi, ale namiesto vodivého polyméru, majú ako elektrolyt 85% roztok kyseliny fosforečnej, ktorá je stabilizovaná v karborundovej matrici, čo zvyšuje vodivosť elektrolytu a znižuje korozívne účinky kyseliny na elektródy. Výhodou palivových článkov s kyselinou fosforečnou je ich jednoduchá konštrukcia, vysoká tepelná stabilita, vysoká chemická a elektrochemická stabilita. Elektrolyt je málo prchavý. Tieto články pracujú v rozmedzí teplôt 150 °C až 200 °C. K anóde je privádzaný vodík pod tlakom, kde je oxidovaný za separácie protónov a elektrónov. Elektróny sú vedené anódou ku spotrebiču a protóny do roztoku kyseliny fosforečnej. Ku katóde je privádzaný kyslík, ktorý je redukovaný na oxidové anióny, ktoré sú protonizované na vodu protónmi z elektrolytu kyseliny fosforečnej. Na rozdiel od alkalických článkov, kde voda vzniká pri anóde, u článkov s kyselinou fosforečnou vzniká voda pri katóde.
náhľad|Palivový článok s pevnými oxidmi (SOFC)

 Palivové články s pevnými oxidmi 
Palivové články s pevnými oxidmi (SOFC, solid oxide fuel cell) majú všetky svoje súčasti v pevnom skupenstve. V pevnom elektrolyte tvoreného oxidom zirkoničitým a oxidom ytritým sa pohybujú oxidové dianióny vakanciami v štruktúre oxidov. Pracovné teploty palivových článkov s pevnými oxidmi sú od 650 °C do 1000 °C. Sú konštruované tak, že ku katóde je privádzaný kyslík pod tlakom, kde dôjde ku redukcii na oxidové dianióny, ktoré následne putujú vakanciami v oxidoch k anóde, kde prehne redukcia vodíka na protóny, ktoré protonizujú oxidové dianióny za vzniku vody. Z priestoru anódy sauvoľňuje voda. 
náhľad|Palivový článok s roztavenými uhličitanmi (MCFC)

 Palivové články s roztavenými uhličitanmi 
Palivové články s roztavenými uhličitanmi (MCFC, molten carbonate fuel cell) majú kvapalný elektrolyt, ktorým sú roztavené uhličitany ako uhličitan lítny, uhličitan draselný alebo uhličitan sodný. Taveniny je stabilizovaná anorganickou matricou, ktorej chemická podstata je podvojný oxid hlinito-lítny. Palivové články s roztavenými uhličitanmi pracujú pri teplotách 600 °C až 700 °C. Roztavené uhličitany sú však veľmi korozívne ku elektródam a vyžadujú materiály odolné proti korózii. Tieto články majú vysokú účinnosť premeny chemickej energie na elektrickú energiu. Vodík je privádzaný ku anóde, kde sa oxiduje za uvoľneniaelektrónov a protónov. Protóny protonizujú uhličitanová anióny z elektrolytu za tvorby vody a oxidu uhličitého. Ku katóde je privádzaný kyslík, ktorý sa tu redukuje na oxidové anióny, ktoré reagujú s privádzaným oxidom uhličitým, ktorý dopĺňa straty uhličitanových aniónov v elektrolyte. Nevýhodou tohto článku je, že nie je bezemisný, na svoju funkciu vyžaduje oxid uhličitý a sám ho produkuje ako výfukový plyn.

Polreakcia oxidácie na anóde:

Polreakcia redukcie na katóde:

náhľad|Metanolový palivový článok (DMFC)

 Metanolový palivový článok 
Metanolový palivový článok (DMFC, direct methanol fuel cell) využíva metanol (namiesto vodíka) ako zdroj elektrónov (ako palivo), pričom však vzniká oxid uhličitý a voda, čiže metanolový palivový článok nie je bezemisný zdroj elektrickej energie. Podobne ako palivový článok s pevným polymérom (PEMFC), aj metanolový palivový článok využíva membránu zhotovenú z iónovo vodivého polyméru, čo predurčuje teplotu, pri ktorej metanolový palivový článok pracuje (25 °C až 100 °C, prípadne o niečo málo vyššia teplota) v závislosti od materiálu elektrolytu (polyméru) a spôsobu prívodu metanolu ku anóde. Iónovo vodivým polymérom je katex, ktorý je schopný prenášať protóny, ide o iónomeničovú membránu. Konštrukcia metanolového článku je taká, že z palivovej nádrže, ktorá obsahuje metanol, je táto látka privádzaná na anódu, kde dôjde ku oxidácii metanolu za uvoľnenia oxidu uhličitého a všetky vodíky metanolu a vody sa prenesú vo forme protónov do vodivého polyméru. Problémom anodickej oxidácie metanolu v porovnaní s anodickou oxidáciou vodíka je, že oxidácia metanolu prebieha oveľa pomalšie a prebieha cez mnoho reakčných medzistupňov. Dôležitou látkou pri anodickej oxidácii metanolu je aj voda (je nutné použiť roztok metanolu, nie absolútny metanol:

Na katóde sa redukuje kyslík na vodu:

Nevýhodou metanolu je jeho jedovatosť (vodík nie je jedovatý), vysoká horľavosť a pomalá oxidácia (v porovnaní s vodíkom). 

Výhodou metanolu je jeho kvapalné skupenstvo za štandardných podmienok, čo by umožňovalo využiť plynovody (na zemný plyn) a ropovody na diaľkový transport metanolu. Ďalšou výhodou je možnosť získať metanol z ekologicky biomasy (vodík sa v súčasnosti získava zo zemného plynu). Metanol má tiež vysokú špecifickú energiu (množstvo energie získateľné z jednotky hmotnosti paliva).

Referencie

Externé odkazy

 Fuel Cell Today
 Animácia vodíkového palivového článku

Kategória:Pohony
Kategória:Energetika
Kategória:Vodíkový pohon
Kategória:Elektrochémia