Palivový článek – co to je? Kdy a jak se objevil? Proč je to potřeba a proč se o nich v dnešní době tak často mluví? Jaké jsou jeho aplikace, vlastnosti a vlastnosti? Nezastavitelný pokrok vyžaduje odpovědi na všechny tyto otázky!

Chcete se naučit navrhovat? Školicí centrum AboutDC vás zve ke studiu:

Co je palivový článek?

Palivový článek – jedná se o zdroj chemického proudu nebo elektrochemický generátor, jedná se o zařízení pro přeměnu chemické energie na energii elektrickou. V moderním životě se chemické zdroje energie používají všude a jsou to baterie pro mobilní telefony, notebooky, PDA, stejně jako baterie v automobilech, nepřerušitelné zdroje energie atd. Další fází rozvoje této oblasti bude plošná distribuce palivových článků a to je nevyvratitelný fakt.

Historie palivových článků

Historie palivových článků je dalším příběhem o tom, jak vlastnosti hmoty, kdysi objevené na Zemi, našly široké uplatnění daleko ve vesmíru a na přelomu tisíciletí se vrátily z nebe na Zemi.

Všechno to začalo v roce 1839, kdy německý chemik Christian Schönbein publikoval principy palivového článku ve Philosophical Journal. Ve stejném roce Angličan a absolvent Oxfordu William Robert Grove navrhl galvanický článek, později nazývaný galvanický článek Grove, který je také uznáván jako první palivový článek. Název „palivový článek“ dostal vynález v roce svého výročí – v roce 1889. Autory termínu jsou Ludwig Mond a Karl Langer.

O něco dříve, v roce 1874, Jules Verne ve svém románu Tajemný ostrov předpověděl současnou energetickou situaci a napsal, že „Voda bude jednoho dne použita jako palivo, vodík a kyslík, z nichž se skládá, se bude používat“.

Mezitím se postupně zdokonalovala nová technologie napájení a od 50. let 1958. století neuplynul rok, aby nebyly oznámeny nejnovější vynálezy v této oblasti. V roce 1959 se ve Spojených státech objevil první traktor poháněný palivovými články v roce 5. byl uvolněn 70kW zdroj pro svářečku atd. V 60. letech se vodíková technologie vzlétla do vesmíru: objevila se letadla a raketové motory poháněné vodíkem. V 10. letech RSC Energia vyvinula palivové články pro sovětský lunární program. Program Buran se bez nich také neobešel: byly vyvinuty alkalické 2009 kW palivové články. A ke konci století překonaly palivové články nulovou výšku – sloužily k pohonu německé ponorky. Po návratu na Zemi byla první lokomotiva uvedena do provozu ve Spojených státech v roce XNUMX. Samozřejmě na palivové články.

Na celé úžasné historii palivových článků je zajímavé, že kolo stále zůstává vynálezem lidstva, který nemá v přírodě obdoby. Faktem je, že svou konstrukcí a principem činnosti jsou palivové články podobné biologickým článkům, což je v podstatě miniaturní vodíkovo-kyslíkový palivový článek. Výsledkem bylo, že člověk opět vynalezl něco, co příroda používá už miliony let.

ČTĚTE VÍCE
Je možné omítnout pórobeton sádrovou omítkou?

Princip činnosti palivových článků

Princip fungování palivových článků je zřejmý i ze školního chemického učiva a právě tento byl stanoven v pokusech Williama Grovea v roce 1839. Jde o to, že proces elektrolýzy vody (disociace vody) je reverzibilní. Stejně jako je pravda, že při průchodu elektrického proudu vodou se tento rozštěpí na vodík a kyslík, platí to i obráceně: vodík a kyslík lze kombinovat za vzniku vody a elektřiny. V Groveově experimentu byly dvě elektrody umístěny do komory, do které byly pod tlakem dodávány omezené části čistého vodíku a kyslíku. Díky malým objemům plynu a také díky chemickým vlastnostem uhlíkových elektrod docházelo v komoře k pomalé reakci s uvolňováním tepla, vody a hlavně vznikem rozdílu potenciálů mezi elektrodami.

Nejjednodušší palivový článek tvoří speciální membrána používaná jako elektrolyt, na jejíž obou stranách jsou naneseny práškové elektrody. Vodík jde na jednu stranu (anoda) a kyslík (vzduch) na druhou (katoda). Na každé elektrodě probíhají různé chemické reakce. Na anodě se vodík rozkládá na směs protonů a elektronů. V některých palivových článcích jsou elektrody obklopeny katalyzátorem, obvykle vyrobeným z platiny nebo jiných ušlechtilých kovů, který podporuje disociační reakci:

kde H2 – dvouatomová molekula vodíku (forma, ve které je vodík přítomen jako plyn); H + – ionizovaný vodík (proton); e – – elektron.

Na katodové straně palivového článku se protony (které prošly elektrolytem) a elektrony (které prošly vnější zátěží) rekombinují a reagují s kyslíkem dodávaným do katody za vzniku vody:

Totální reakce v palivovém článku je to napsáno takto:

Činnost palivového článku je založena na tom, že elektrolyt jím umožňuje průchod protonů (směrem ke katodě), ale elektrony nikoliv. Elektrony se pohybují ke katodě po vnějším vodivém obvodu. Tento pohyb elektronů je elektrický proud, který lze použít k pohonu externího zařízení připojeného k palivovému článku (zátěž, jako je žárovka):

Palivové články využívají k provozu vodíkové palivo a kyslík. Nejjednodušší je to s kyslíkem – ten se bere ze vzduchu. Vodík lze dodávat přímo z určité nádoby nebo jeho izolací od externího zdroje paliva (zemní plyn, benzín nebo metylalkohol – metanol). V případě externího zdroje musí být pro extrakci vodíku chemicky přeměněn. V současnosti většina technologií palivových článků vyvíjených pro přenosná zařízení používá metanol.

Charakteristika palivových článků

  • Palivové články jsou analogické se stávajícími bateriemi v tom smyslu, že v obou případech je elektrická energie získávána z chemické energie. Existují však také zásadní rozdíly:
    • fungují pouze tak dlouho, dokud jsou palivo a okysličovadlo dodávány z externího zdroje (tj. nemohou uchovávat elektrickou energii),
    • chemické složení elektrolytu se během provozu nemění (palivový článek není třeba dobíjet),
    • jsou zcela nezávislé na elektřině (zatímco běžné baterie ukládají energii ze sítě).

    Typy palivových článků

    Palivové články klasifikovaný z následujících důvodů:

    • podle použitého paliva,
    • provozním tlakem a teplotou,
    • podle povahy aplikace.

    Obecně se rozlišují následující: typy palivových článků:

    • Palivové články s pevným oxidem (SOFC);
    • Palivový článek s palivovým článkem s protonovou výměnnou membránou (PEMFC);
    • Reverzibilní palivový článek (RFC);
    • Přímý metanolový palivový článek (DMFC);
    • Tavené karbonátové palivové články (MCFC);
    • Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC);
    • Alkalické palivové články (AFC).

    Jedním z typů palivových článků, které pracují za normálních teplot a tlaků a využívají vodík a kyslík, je iontoměničový membránový článek. Vzniklá voda nerozpouští pevný elektrolyt, stéká dolů a snadno se odstraňuje.

    Problémy s palivovými články

    • Hlavním problémem palivových článků je potřeba „baleného“ vodíku, který lze volně zakoupit. Je zřejmé, že problém by se měl časem vyřešit, ale zatím situace vyvolává mírný úsměv: co je dřív – slepice nebo vejce? Palivové články ještě nejsou dostatečně vyvinuté pro stavbu vodíkových továren, ale jejich pokrok je bez těchto továren nemyslitelný. Zde si všimneme problému zdroje vodíku. V současné době se vodík vyrábí ze zemního plynu, ale rostoucí náklady na energii také zvýší cenu vodíku. Přítomnost CO a H ve vodíku ze zemního plynu je přitom nevyhnutelná2S (sirovodík), které otravují katalyzátor.
    • Běžné platinové katalyzátory využívají velmi drahý a nenahraditelný kov – platinu. Tento problém se však plánuje vyřešit použitím katalyzátorů na bázi enzymů, které jsou levnou a snadno vyrobitelnou látkou.
    • Problémem je také vznikající teplo. Účinnost prudce vzroste, pokud je vyrobené teplo směrováno do užitečných kanálů – k výrobě tepelné energie pro topný systém, k využití jako odpadního tepla v absorpčních chladicích strojích atd.

    Metanolové palivové články (DMFC): skutečné aplikace

    Největší praktický zájem jsou dnes přímé palivové články na bázi metanolu (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Notebook Portege M100 běžící na palivovém článku DMFC vypadá takto:

    Typický obvod článku DMFC obsahuje kromě anody, katody a membrány několik dalších součástí: palivovou kazetu, senzor metanolu, oběhové čerpadlo paliva, vzduchové čerpadlo, výměník tepla atd.

    Provozní doba například notebooku ve srovnání s bateriemi se plánuje 4krát zvýšit (až 20 hodin), mobilního telefonu – až 100 hodin v aktivním režimu a až šest měsíců v pohotovostním režimu. Dobíjení bude provedeno přidáním části kapalného metanolu.

    Hlavním úkolem je najít možnosti použití methanolového roztoku s jeho nejvyšší koncentrací. Problém je, že metanol je poměrně silný jed, smrtelný v dávkách několika desítek gramů. Ale koncentrace metanolu přímo ovlivňuje dobu provozu. Pokud se dříve používal 3-10% roztok metanolu, pak se již objevily mobilní telefony a PDA využívající 50% roztok a v roce 2008 v laboratorních podmínkách získali specialisté z MTI MicroFuel Cells a o něco později i Toshiba palivové články fungující na čistém methanolu.

    Palivové články jsou budoucnost!

    A konečně, zřejmou budoucnost palivových článků dokládá skutečnost, že mezinárodní organizace IEC (International Electrotechnical Commission), která určuje průmyslové standardy pro elektronická zařízení, již oznámila vytvoření pracovní skupiny pro vývoj mezinárodního standardu pro miniaturní palivové články .

    Základem konstrukce elektromobilu je elektrárna. Skládá se z několika elektromotorů a baterií. Na rozdíl od aut se spalovacími motory, které jezdí na startovací baterie, elektromobily využívají trakční baterie. Jejich hlavním rozdílem je neustálý přísun uložené elektrické energie do pracujících motorů.

    Startovací baterie fungují pouze při zapnutém motoru, zatímco trakční baterie produkují nižší proudy, ale pracují v konstantním režimu. Fungují jako přímé zdroje energie pro elektromotory a poskytují vysokou účinnost přeměny užitečné energie – přes 90 %. Pro srovnání, vozy ICE získávají pouze 40 % využitelné energie z motorů.

    Historie vzniku Li-ion baterií

    Primární chemické zdroje proudu s lithiovou anodou se objevily v 70. letech. Při vytváření baterií z nich vyrobených však vyvstaly vážné problémy, které byly překonány až v polovině 90. let. Tyto problémy byly spojeny s aktivitou lithia: při vysokých proudech se baterie zahřála a samovolně se vznítila. Proto upustili od používání čistého lithia a rozhodli se využít jeho ionty. Odtud pochází název baterie.

    Přestože lithium-iontové baterie poskytují nižší hustotu energie než lithiové baterie, jsou při správném nabití a vybití bezpečné. Není v nich žádné kovové lithium a procesy vybíjení a nabíjení se redukují na přenos iontů lithia z jedné elektrody na druhou.

    Většina moderních elektromobilů jezdí na Li-ion baterie. Podle odborníků bude tato technologie dominovat ještě několik let, což potvrzují investice předních výrobců ekologických aut. Technologie jde dopředu a celý svět očekává revoluci ve výrobě baterií. Li-ion baterie však prozatím zůstávají nekonkurenceschopné.

    Některé změny ovlivnily pouze chemické složení katody. Tesla nyní používá zejména nikl-kobalt-hliníkové (NCA) baterie Panasonic a články LG Chem nikl-mangan-kobalt (NMC) se sníženým obsahem kobaltu. Použití katody s 80 % Ni, 15 % Co a 5 % Al umožnilo zvýšit kapacitu článků, aniž by byla ohrožena jejich teplotní stabilita. Někdy se používá poměr složek Ni:Mn:Co=8:1:1. CATL vyrábí baterie NMC s 20 % kobaltu.

    Zvláštní pozornost si zaslouží lithium-železofosfátové baterie – LiFePO4. Tento typ Li-ion baterií je minimálně dvakrát delší než jeho analogy z hlediska cyklické životnosti, má prodloužený rozsah provozních teplot a je provozně maximálně bezpečný. Takové baterie používá například čínský elektrický sedan BYD Han a zajišťují mu dojezd až 1 km na jedno nabití.

    Dojezd na 1 nabití závisí na energetické náročnosti lithiových baterií použitých v elektromobilu a dalších faktorech: síla a směr větru, terén, zatížení vozidla atd.

    Vlastnosti elektromobilů s nejdelším dojezdem:

    model Energetická náročnost, kWh Maximální dojezd na 1 nabití, km
    Tesla Model S 100 610
    BYD Han EV 77 605
    Ford Mustang Much-E 98,8 600
    Tesla Model 3 75 560
    VW ID.3 82 550
    Tesla Model X 100 507
    Škoda Enyaq 82 500
    Hyundai kona elektrický 67,1 480
    Jaguar I-Pace 90 470
    Taycan Porsche 93,4 462
    Kia a Niro 67,1 455
    Kia e-duše 67,1 452
    Audi eTron 95 446
    iX3 80 440
    Volvo XC40 Dobíjení 78 425
    SEAT el-Born 62 420
    mercedes eqc 85 417
    Renault Zoe 55 395
    Nissan Leaf 62 385
    Šroub Chevrolet 60 380
    Peugeot e-208 50 34

    Životnost lithium-iontových baterií pro elektromobily je 1000–1500 cyklů nabití-vybití, což v průměru odpovídá 8–10 letům provozu. Baterie typu LiFePO4 mají dvojnásobnou životnost. Výrobci elektrických vozidel poskytují na své produkty záruku 5-8 let. Pokud tedy během provozu ekovozidla předčasně selže některý bateriový modul, může kupující počítat s jeho výměnou.

    Stojí za zmínku, že LiFePO4 baterie jsou méně citlivé na rychlé nabíjení a odolnější vůči degradaci než Li-ion baterie jiných typů.

    Jak správně používat baterii?

    Pamatujete na pravidla pro zacházení s mobilními telefony na úsvitu jejich používání? Když bylo potřeba co nejvíce vybít jejich baterie a následně je nabít na 100 procent. V opačném případě došlo k „paměťovému“ efektu a baterie rychle ztratila kapacitu.

    Dnešní majitel elektromobilu je takového povyku ušetřen – nabíjet si ho může kdykoliv. U Li-Ion článků celý procesorový systém monitoruje optimální úrovně vybití v celé matrici článků. Existují však nuance, které mohou životnost baterie zkrátit nebo naopak mírně prodloužit.

    První zahrnuje časté využívání vysokorychlostního nabíjení ze stejnosměrných stanic s výkonem nad 100 kW. Na dlouhé cestě někde po dálnici je to doslova spása: za 30–40 minut z takového terminálu doplníte dojezd elektromobilu o 150–200 km a zároveň si odpočinete a občerstvíte se. Ale pro bateriové články je nabíjení superintenzivními proudy stále stresující. Pro pravidelné dobíjení je lepší používat stanice s výkonem maximálně 25–50 kW.

    Druhým potenciálním stresem je práce při extrémně nízkých teplotách. Pokročilý bateriový ovladač samozřejmě udělá vše pro to, aby omezil proud na studené elementy a co nejrychleji je ohřál (a zároveň i interiér) pomocí běžné klimatizace invertorového typu. Mnohem lepší pro vás i pro baterii ale bude, když při zimním používání necháte elektromobil na nabíjecím kabelu až do odjezdu a den předem zapnete topení ze sítě pomocí časovače.

    Třetím potenciálním stresem je pravidelné nabíjení na maximálně 100 %, při kterém buňka zažívá změny v chemické rovnováze, které se blíží nadměrné. Takže malý „pohodlný“ doplatek za Li-Ion prvky vašeho elektromobilu se určitě bude hodit.

    Baterie elektromobilů můžete nabíjet na speciálních nabíjecích stanicích nebo doma ze sítě 220 V. Vestavěné nabíječky přeměňují střídavý proud ze sítě na střídavý proud požadovaného napětí vhodného pro baterii. Pro nabíjení z běžné zásuvky se používají nabíječky s výkonem 3,6 kW a více. Musí mít ochranu proti zkratu, přebití a přehřátí.

    Nabíjení z běžného zdroje trvá déle než ze speciální stanice. Například 70 kWh baterii lze nabít z běžné zásuvky za 15–18 hodin, na nabíjecí stanici ne více než 5 hodin. V režimu rychlého nabíjení se energetická rezerva doplní za pouhou půlhodinu nebo hodinu, ale nedoporučuje se tento způsob používat často.

    Kapacita Li-ion baterií se postupně snižuje, i když jen leží ve skladu.

    Po několika letech se nominální kapacita baterie podle odborníků z Auto20N sníží o 30–3 %. Například baterie populárních elektromobilů Tesla Model S a Nissan Leaf v praxi ztrácejí 5–10 % kapacity v prvních 2 letech provozu a dalších 15–20 % během dalších 3 let. Následně je jejich roční snížení kapacity 1–5 %.

    V tomto ohledu se také snižuje dojezd na 1 nabití. Nissan Leaf zakoupený před více než 5 lety tak může ujet až 130 km bez dobíjení, ačkoli zpočátku ujel 160 km. Elektromobily Tesla Model S, uvedené na trh v roce 2013, nyní ujedou na jedno nabití minimálně 1 km, zpočátku však ujely 200 km. Podobné trendy jsou pozorovány i u ekologických vozů jiných značek.

    Baterie elektrického vozidla se skládá z modulů zapojených do série, z nichž každý je sestaven podle specifického obvodu pro získání požadovaných hodnot napětí a kapacity. Pokud je některý modul poškozen nebo předčasně selže z jakéhokoli jiného důvodu, musí být vyměněn. Modulární konstrukce baterií elektrických vozidel umožňuje selektivní výměnu bateriových sad.

    Ale pro efektivní využití Li-ion baterií v elektrických vozidlech a dalších typech zařízení je důležité, aby vlastnosti všech modulů byly co nejvíce totožné. Pokud použijete staré jednotky s výrazně nižší kapacitou spolu s novými moduly, rychleji selžou.

    Likvidace a recyklace lithiových baterií

    Pro plný rozvoj elektrické dopravy je důležité organizovat bezpečnou likvidaci a efektivní recyklaci lithiových baterií. Na jedné straně je to důležité pro hospodárné využívání přírodních zdrojů: lithia, kobaltu, niklu, hliníku a dalších nerostů. Na druhou stranu nemůžeme dopustit, aby byla planeta znečištěna nebezpečným chemickým odpadem.

    Baterie elektromobilů je nutné vyměnit v průměru po 8–10 letech provozu, kdy se jejich počáteční energetická náročnost sníží o 30 %. Takové baterie mohou být vybaveny solárními elektrárnami a dalšími systémy.

    Baterie, které zcela vyčerpaly svou životnost, podléhají recyklaci, odstranění a opětovnému použití součástí, které obsahují. V budoucnu je lze využít nejen pro výrobu baterií, ale i pro jiné účely.

    Důležitou výhodou recyklace lithiových baterií je schopnost snížit těžbu nerostů a také snížit náklady na chemické prvky a samotné baterie. Očekává se, že recyklace odpadu minimalizuje náklady a zvýší dostupnost elektrických vozidel. Dosud jen málo baterií elektromobilů vyčerpalo svou životnost. Postupně se ale jejich počet bude zvyšovat, takže recyklace odpadu z baterií je považována za velmi perspektivní a potřebnou oblast.