Pravděpodobně jste již slyšeli o palivových článcích . V roce 2003 oznámil prezident Bush program nazvaný Hydrogen Fuel Initiative (HFI) během svého projevu o stavu Unie. Tato iniciativa, podporovaná legislativou v zákoně o energetické politice z roku 2005 (EPACT 2005) a pokročilá energetická iniciativa z roku 2006, si klade za cíl vyvinout vodíkové, palivové články a technologie infrastruktury, aby byla vozidla s palivovými články praktická a nákladově efektivní do roku 2020. Spojené státy dosud věnovaly více než jednu miliardu dolarů na výzkum a vývoj palivových článků.
Co je vlastně palivový článek? Proč vlády, soukromé podniky a akademické instituce spolupracují na jejich vývoji a výrobě? Palivové články vyrábějí elektrickou energii tiše a efektivně, bez znečištění. Na rozdíl od zdrojů energie, které využívají fosilní paliva, jsou vedlejšími produkty provozního palivového článku teplo a voda. Ale jak to dělá?
V tomto článku se rychle podíváme na každou ze stávajících nebo nově vznikajících technologií palivových článků. Podrobně popíšeme, jak polymerní elektrolytové membránové palivové články (PEMFC ) pracovat a zkoumat srovnání palivových článků s jinými formami výroby energie. Prozkoumáme také některé překážky, kterým výzkumníci čelí, aby učinili palivové články praktickými a cenově dostupnými pro naše použití, a probereme potenciální aplikace palivových článků.
Pokud chcete být technický, palivový článek je zařízení pro přeměnu elektrochemické energie . Palivový článek přeměňuje chemikálie vodík a kyslík na vodu a v tomto procesu vyrábí elektřinu.
Dalším elektrochemickým zařízením, které všichni známe, je baterie. Baterie má všechny své chemikálie uložené uvnitř a přeměňuje tyto chemikálie také na elektřinu. To znamená, že se baterie nakonec „vybije“ a vy ji buď vyhodíte, nebo dobijte.
U palivového článku chemikálie neustále proudí do článku, takže nikdy nezemřel – dokud do článku proudí chemikálie, elektřina z článku proudí ven. Většina dnes používaných palivových článků používá jako chemikálie vodík a kyslík.
V další části se podíváme na různé typy palivových článků.
Obsah
Palivový článek bude konkurovat mnoha dalším zařízením na přeměnu energie, včetně plynové turbíny v městské elektrárně, benzínového motoru ve vašem autě a baterie ve vašem notebooku. Spalovací motory, jako je turbína a benzínový motor, spalují paliva a využívají tlak vytvořený expanzí plynů k mechanické práci. Baterie v případě potřeby přeměňují chemickou energii zpět na elektrickou energii. Palivové články by měly plnit oba úkoly efektivněji.
Palivový článek poskytuje stejnosměrné (stejnosměrné) napětí, které lze použít k napájení motorů, světel nebo libovolného počtu elektrických spotřebičů.
Existuje několik různých typů palivových článků, z nichž každý používá jinou chemii. Palivové články jsou obvykle klasifikovány podle jejich provozní teploty a typu elektrolytu oni používají. Některé typy palivových článků fungují dobře pro použití ve stacionárních elektrárnách. Jiné mohou být užitečné pro malé přenosné aplikace nebo pro napájení automobilů. Mezi hlavní typy palivových článků patří:
Ministerstvo energetiky (DOE) se zaměřuje na PEMFC jako nejpravděpodobnějšího kandidáta pro dopravní aplikace. PEMFC má vysokou hustotu výkonu a relativně nízkou provozní teplotu (v rozmezí od 60 do 80 stupňů Celsia nebo 140 až 176 stupňů Fahrenheita). Nízká provozní teplota znamená, že palivovému článku netrvá příliš dlouho, než se zahřeje a začne vyrábět elektřinu. V další části se na PEMFC podíváme blíže.
Tyto palivové články se nejlépe hodí pro velké stacionární generátory elektrické energie, které by mohly poskytovat elektřinu pro továrny nebo města. Tento typ palivových článků pracuje při velmi vysokých teplotách (mezi 700 a 1000 stupni Celsia). Tato vysoká teplota způsobuje problém spolehlivosti, protože části palivového článku se mohou po opakovaném zapínání a vypínání porouchat. Palivové články s pevným oxidem jsou však při nepřetržitém používání velmi stabilní. Ve skutečnosti SOFC prokázal nejdelší provozní životnost ze všech palivových článků za určitých provozních podmínek. Vysoká teplota má také výhodu:pára produkovaná palivovým článkem může být vedena do turbín pro výrobu více elektřiny. Tento proces se nazývá kogenerace tepla a elektřiny (CHP) a zlepšuje celkovou efektivitu systému.
Jedná se o jeden z nejstarších návrhů palivových článků; vesmírný program Spojených států je používá od 60. let 20. století. AFC je velmi náchylné ke kontaminaci, takže vyžaduje čistý vodík a kyslík. Je také velmi drahý, takže je nepravděpodobné, že by tento typ palivových článků byl komerčně využit.
Stejně jako SOFC jsou tyto palivové články také nejvhodnější pro velké stacionární generátory elektrické energie. Pracují při 600 stupních Celsia, takže mohou generovat páru, kterou lze použít k výrobě většího výkonu. Mají nižší provozní teplotu než palivové články s pevným oxidem, což znamená, že nepotřebují tak exotické materiály. Díky tomu je návrh o něco levnější.
Palivový článek na bázi kyseliny fosforečné má potenciál pro použití v malých stacionárních systémech výroby energie. Pracuje při vyšší teplotě než palivové články s polymerovou výměnnou membránou, takže má delší dobu zahřívání. To jej činí nevhodným pro použití v automobilech.
Metanolové palivové články jsou srovnatelné s PEMFC, pokud jde o provozní teplotu, ale nejsou tak účinné. Také DMFC vyžaduje relativně velké množství platiny, aby fungovalo jako katalyzátor, což činí tyto palivové články drahými.
V následující části se blíže podíváme na typ palivového článku, který DOE plánuje použít k pohonu budoucích vozidel – PEMFC .
Vynález palivového článkuSir William Grove vynalezl první palivový článek v roce 1839. Grove věděl, že voda může být rozdělena na vodík a kyslík tím, že jí prochází elektrický proud (proces zvaný elektrolýza ). Předpokládal, že obrácením postupu můžete vyrábět elektřinu a vodu. Vytvořil primitivní palivový článek a nazval jej plynová voltaická baterie . Po experimentování se svým novým vynálezem Grove svou hypotézu potvrdil. O padesát let později vědci Ludwig Mond a Charles Langer vytvořili termín palivový článek při pokusu sestavit praktický model výroby elektřiny.
Palivový článek s polymerní výměnnou membránou (PEMFC) je jednou z nejslibnějších technologií palivových článků. Tento typ palivových článků pravděpodobně nakonec pohání auta, autobusy a možná i váš dům. PEMFC využívá jednu z nejjednodušších reakcí ze všech palivových článků. Nejprve se podívejme, co je v palivovém článku PEM:
Na obrázku 1 můžete vidět, že existují čtyři základní prvky PEMFC:
Představte si stlačený vodíkový plyn (H2 ) vstup do palivového článku na anodové straně. Tento plyn je tlačen přes katalyzátor tlakem. Když je H2 molekula přijde do kontaktu s platinou na katalyzátoru, rozdělí se na dvě H + ionty a dva elektrony (e - ). Elektrony jsou vedeny přes anodu, kde si razí cestu vnějším obvodem (provádějí užitečnou práci, jako je otáčení motoru) a vracejí se na katodovou stranu palivového článku.
Mezitím, na katodové straně palivového článku, plynný kyslík (O2 ) je protlačován katalyzátorem, kde tvoří dva atomy kyslíku. Každý z těchto atomů má silný záporný náboj. Tento záporný náboj přitahuje dva H + ionty přes membránu, kde se spojí s atomem kyslíku a dvěma elektrony z vnějšího okruhu za vzniku molekuly vody (H2 O).
Tato reakce v jediném palivovém článku produkuje pouze asi 0,7 voltu. Aby se toto napětí dostalo na rozumnou úroveň, musí být zkombinováno mnoho samostatných palivových článků do hromady palivových článků . Bipolární desky se používají ke spojení jednoho palivového článku s druhým a podléhají oběma oxidaci a snížení podmínky a potenciály. Velkým problémem bipolárních desek je stabilita. Kovové bipolární desky mohou korodovat a vedlejší produkty koroze (ionty železa a chrómu) mohou snížit účinnost membrán palivových článků a elektrod. Nízkoteplotní palivové články využívají lehké kovy , grafit a kompozity uhlík/termosety (termoset je druh plastu, který zůstává tuhý, i když je vystaven vysokým teplotám) jako materiál bipolární desky.
V další části uvidíme, jak účinná mohou být vozidla s palivovými články.
Chemie palivového článkuNa straně anody :2H2 -> 4H+ + 4e-P
Katodová strana :O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Čistá reakce :2H2 + 02 -> 2H20
Přečtěte si více>
Snížení znečištění je jedním z primárních cílů palivových článků. Porovnáním auta poháněného palivovými články s autem s benzínovým motorem a autem na baterie můžete vidět, jak by palivové články mohly zlepšit účinnost dnešních automobilů.
Protože všechny tři typy vozů mají mnoho stejných součástí (pneumatiky, převodovky atd.), budeme tuto část vozu ignorovat a porovnáme účinnost až do bodu, kdy se generuje mechanická síla. Začněme u auta na palivové články. (Všechny tyto účinnosti jsou přibližné, ale měly by být dostatečně blízko, aby bylo možné provést hrubé srovnání.)
Pokud je palivový článek poháněn čistým vodíkem, má potenciál dosáhnout účinnosti až 80 procent. To znamená, že přeměňuje 80 procent energetického obsahu vodíku na elektrickou energii. Stále však potřebujeme přeměnit elektrickou energii na mechanickou práci. Toho je dosaženo elektromotorem a invertorem. Rozumné číslo pro účinnost motoru/měniče je asi 80 procent. Máme tedy 80procentní účinnost při výrobě elektřiny a 80procentní účinnost přeměny na mechanickou energii. To dává celkovou účinnost asi 64 procent . Koncepční vozidlo Honda FCX má údajně 60procentní energetickou účinnost.
Pokud zdrojem paliva není čistý vodík, bude vozidlo také potřebovat reformátor. Reformátor přeměňuje uhlovodíková nebo alkoholová paliva na vodík. Vytvářejí teplo a kromě vodíku produkují další plyny. Používají různá zařízení, která se snaží vodík vyčistit, ale i tak vodík, který z nich vychází, není čistý, a to snižuje účinnost palivového článku. Protože reformátory ovlivňují účinnost palivových článků, rozhodli se výzkumníci DOE soustředit na vozidla s čistě vodíkovými palivovými články, a to navzdory problémům spojeným s výrobou a skladováním vodíku.
Dále se seznámíme s účinností automobilů na benzín a baterie.
VodíkVodík je nejběžnějším prvkem ve vesmíru. Vodík však na Zemi ve své elementární formě přirozeně neexistuje. Inženýři a vědci musí vyrábět čistý vodík ze sloučenin vodíku, včetně fosilních paliv nebo vody. Aby bylo možné extrahovat vodík z těchto sloučenin, musíte vynaložit energii. Potřebná energie může přijít ve formě tepla, elektřiny nebo dokonce světla.
Účinnost auta na benzínový pohon je překvapivě nízká. Veškeré teplo, které vychází jako výfuk nebo jde do radiátoru, je plýtvání energií. Motor také spotřebovává spoustu energie na otáčení různých čerpadel, ventilátorů a generátorů, které jej udržují v chodu. Celková účinnost automobilového plynového motoru je tedy asi 20 procent . To znamená, že pouze asi 20 procent obsahu tepelné energie v benzínu se přemění na mechanickou práci.
Elektromobil na baterie má docela vysokou účinnost. Baterie má asi 90% účinnost (většina baterií vytváří určité teplo nebo vyžaduje topení) a elektromotor/invertor má účinnost asi 80%. To dává celkovou účinnost asi 72 procent .
Ale to není celý příběh. Elektřina použitá k pohonu auta se musela někde vyrábět. Pokud se vyrábělo v elektrárně, která využívala spalovací proces (spíše než jadernou, vodní, solární nebo větrnou), pak se na elektřinu přeměnilo jen asi 40 procent paliva, které elektrárna potřebovala. Proces nabíjení vozu vyžaduje přeměnu střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC). Tento proces má účinnost asi 90 procent.
Když se tedy podíváme na celý cyklus, účinnost elektromobilu je 72 procent u auta, 40 procent u elektrárny a 90 procent u nabíjení auta. To dává celkovou účinnost 26 procent . Celková účinnost se značně liší v závislosti na použitém typu elektrárny. Pokud elektřinu pro automobil vyrábí například vodní elektrárna, pak je v zásadě zdarma (neprodukovali jsme žádné palivo) a účinnost elektromobilu je asi 65 procent .
Vědci zkoumají a zdokonalují návrhy, aby i nadále zvyšovali účinnost palivových článků. Jedním z přístupů je kombinace vozidel poháněných palivovými články a bateriemi. Ford Motors a Airstream vyvíjejí koncepční vozidlo poháněné hybridním pohonem s palivovými články s názvem HySeries Drive . Ford tvrdí, že vozidlo má spotřebu paliva srovnatelnou s 41 mil na galon. Vozidlo používá k napájení vozu lithiovou baterii, zatímco palivový článek baterii dobíjí.
Vozidla na palivové články jsou potenciálně stejně účinná jako auto na baterie, které se spoléhá na elektrárnu nespalující palivo. But reaching that potential in a practical and affordable way might be difficult. In the next section, we will examine some of the challenges of making a fuel-cell energy system a reality.
Golden CatalystsNanoscale science may provide fuel cell developers with some much sought after answers. For example, gold is usually an unreactive metal. However, when reduced to nanometer size, gold particles can be as effective a catalyst as platinum.
Fuel cells might be the answer to our power problems, but first scientists will have to sort out a few major issues:
Chief among the problems associated with fuel cells is how expensive they are. Many of the component pieces of a fuel cell are costly. For PEMFC systems, proton exchange membranes, precious metal catalysts (usually platinum), gas diffusion layers, and bipolar plates make up 70 percent of a system's cost [Source:Basic Research Needs for a Hydrogen Economy]. In order to be competitively priced (compared to gasoline-powered vehicles), fuel cell systems must cost $35 per kilowatt. Currently, the projected high-volume production price is $73 per kilowatt [Source:Garland]. In particular, researchers must either decrease the amount of platinum needed to act as a catalyst or find an alternative.
Researchers must develop PEMFC membranes that are durable and can operate at temperatures greater than 100 degrees Celsius and still function at sub-zero ambient temperatures. A 100 degrees Celsius temperature target is required in order for a fuel cell to have a higher tolerance to impurities in fuel. Because you start and stop a car relatively frequently, it is important for the membrane to remain stable under cycling conditions. Currently membranes tend to degrade while fuel cells cycle on and off, particularly as operating temperatures rise.
Because PEMFC membranes must by hydrated in order to transfer hydrogen protons, researches must find a way to develop fuel cell systems that can continue to operate in sub-zero temperatures, low humidity environments and high operating temperatures. At around 80 degrees Celsius, hydration is lost without a high-pressure hydration system.
The SOFC has a related problem with durability. Solid oxide systems have issues with material corrosion. Seal integrity is also a major concern. The cost goal for SOFC?s is less restrictive than for PEMFC systems at $400 per kilowatt, but there are no obvious means of achieving that goal due to high material costs. SOFC durability suffers after the cell repeatedly heats up to operating temperature and then cools down to room temperature.
The Department of Energy?s Technical Plan for Fuel Cells states that the air compressor technologies currently available are not suitable for vehicle use, which makes designing a hydrogen fuel delivery system problematic.
In order for PEMFC vehicles to become a viable alternative for consumers, there must be a hydrogen generation and delivery infrastructure. This infrastructure might include pipelines, truck transport, fueling stations and hydrogen generation plants. The DOE hopes that development of a marketable vehicle model will drive the development of an infrastructure to support it.
Three hundred miles is a conventional driving range (the distance you can drive in a car with a full tank of gas). In order to create a comparable result with a fuel cell vehicle, researchers must overcome hydrogen storage considerations, vehicle weight and volume, cost, and safety.
While PEMFC systems have become lighter and smaller as improvements are made, they still are too large and heavy for use in standard vehicles.
There are also safety concerns related to fuel cell use. Legislators will have to create new processes for first responders to follow when they must handle an incident involving a fuel cell vehicle or generator. Engineers will have to design safe, reliable hydrogen delivery systems.
Researchers face considerable challenges. In the next section, we will explore why the United States and other nations are investing in research to overcome these obstacles.
Aromatic-based MembranesAn alternative to current perfluorosulfonic acid membranes are aromatic-based membranes. Aromatic in this case does not refer to the pleasing scent of the membrane -- it actually refers to aromatic rings like benzene, pyridine or indole. These membranes are more stable at higher temperatures, but still require hydration. What?s more, aromatic-based membranes swell when they lose hydration, which can affect the fuel cell's efficiency.
Why is the U.S. government working with universities, public organizations and private companies to overcome all the challenges of making fuel cells a practical source for energy? More than a billion dollars has been spent on research and development on fuel cells. A hydrogen infrastructure will cost considerably more to construct and maintain (some estimates top 500 billion dollars). Why does the president think fuel cells are worth the investment?
The main reasons have everything to do with oil. America must import 55 percent of its oil. By 2025 this is expected to grow to 68 percent. Two thirds of the oil Americans use every day is for transportation. Even if every vehicle on the street were a hybrid car, by 2025 we would still need to use the same amount of oil then as we do right now [Source:Fuel Cells 2000]. In fact, America consumes one quarter of all the oil produced in the world, though only 4.6 percent of the world population lives here [Source:National Security Consequences of U.S. Oil Dependency].
Experts expect oil prices to continue to rise over the next few decades as more low-cost sources are depleted. Oil companies will have to look in increasingly challenging environments for oil deposits, which will drive oil prices higher.
Concerns extend far beyond economic security. The Council on Foreign Relations released a report in 2006 titled "National Security Consequences of U.S. Oil Dependency." A task force detailed numerous concerns about how America's growing reliance on oil compromises the safety of the nation. Much of the report focused on the political relationships between nations that demand oil and the nations that supply it. Many of these oil rich nations are in areas filled with political instability or hostility. Other nations violate human rights or even support policies like genocide. It is in the best interests of the United States and the world to look into alternatives to oil in order to avoid funding such policies.
Using oil and other fossil fuels for energy produces pollution. Pollution issues have been in the news a lot recently -- from the film "An Inconvenient Truth" to the announcement that climate change and global warming would factor into future adjustments of the Doomsday Clock. It is in the best interest for everyone find an alternative to burning fossil fuels for energy.
Fuel cell technologies are an attractive alternative to oil dependency. Fuel cells give off no pollution, and in fact produce pure water as a byproduct. Though engineers are concentrating on producing hydrogen from sources such as natural gas for the short-term, the Hydrogen Initiative has plans to look into renewable, environmentally-friendly ways of producing hydrogen in the future. Because you can produce hydrogen from water, the United States could increasingly rely on domestic sources for energy production.
Other countries are also exploring fuel-cell applications. Oil dependency and global warming are international problems. Several countries are partnering to advance research and development efforts in fuel cell technologies. One partnership is The International Partnership for the Hydrogen Economy.
Clearly scientists and manufacturers have a lot of work to do before fuel cells become a practical alternative to current energy production methods. Still, with worldwide support and cooperation, the goal to have a viable fuel cell-based energy system may be a reality in a couple of decades.
A Fuel Cell That Runs on WasteEnvironmental engineers at Pennsylvania State University developed a fuel cell that runs on wastewater. The cell uses microbes to break down organic matter. The matter in turn releases hydrogen and electrons. The fuel cell can break down approximately 80 percent of the organic matter in wastewater, and like PEMFCs the output is heat and pure water. The energy generated by the fuel cell could help power a water treatment plant pump system.
International Partnership for the Hydrogen Economy
Úspora paliva Jak funguje stanovování cen alternativních palivAutoAlternativní palivaAlternativní palivoAutoAlternativní paliva10 Nápady na alternativní paliva, které nikdy nevyšly z LabAutoHybrid Technology Jaké jsou nejobtížnější standardy, které je třeba splnit pro auto s alternativním palivem?AutoHybrid TechnologyJak fungují alternativní palivové čerpací staniceAutoHybridní alternativní technologieJaká je světová alternativní paliva? AutoBiopalivaJe biopalivo z řas životaschopnou alternativou k ropě?AutoBiopalivaPropagují ropné společnosti alternativní energii?AutoHybrid TechnologyTop 10 alternativních paliv na cestě právě teďAutoBiopalivaJe biopalivo rozumnou (a bezpečnou) alternativou tryskového paliva?AutoAlternativní palivaAlternativní paliva Obrázky vozidelPřírodaAutoAlternativní paliva Automobily Alternativní paliva Palivové články fungujíAutoAlternativní palivaJak funguje bionaftaAutoAlternativní palivaJe etanol skutečně šetrnější k životnímu prostředí než plyn?AutoAlternativní palivaKolik kukuřice za etanol rs?AutoAlternativní palivaJak fungují vozidla na zemní plynAutoAlternativní palivaE85 Ethanol Flex Fuel PřehledAutoAlternativní palivaMůže etanol poškodit váš motor?AutoAlternativní palivaCo je top palivo a jak se liší od benzínu?AutoAlternativní palivaMůže auto jezdit na jadernou energii? VědaVýroba energieJaká je nejlevnější nová energetická alternativa?VědaZelená vědaJaká je nejlevnější nová alternativní energie?VědaZelená věda10 Šílené formy alternativní energieVědaZelená věda Vyčerpají alternativní paliva celosvětové zásoby kukuřice?
