Palivový článok

Palivový článok je elektrochemické zariadenie, ktoré premieňa priamo chemickú energiu paliva a okysličovadla (oxidačného činidla) na elektrickú energiu.^[1] 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).^[2] Palivo, ktoré je zdrojom elektrónov (zdrojom energie), sa oxiduje na anóde.^[2] Ako palivo sa využívajú plynné látky (vodík, oxid uhoľnatý, uhľovodíky), kvapalné látky (alkoholy, elektrolyty rozpustené v kvapalinách), pevné látky (uhlík).^[2] Oxidačné činidlo je terminálnym akceptorom elektrónov, redukuje sa na katóde.^[2] 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.^[2] Na tento účel sú vhodné uhlíkové, niklové, železné alebo platinové elektródy.^[2]

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 O^2-, 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

V súčasnosti sa najviac nádeje vkladá do kyslíko-vodíkového palivového článku v rámci vodíkového pohonu automobilov, kozmických lodí a vojenskej techniky.^[2] 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

Alkalické palivové články

Alkalické palivové články (AFC, alkaline fuel cell) majú mdzi palivovými článkami najvyššiu elektrochemickú účinnosť.^[3] 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.^[3] Zásadité prostredie avšak spomaľuje rýchlosť oxidácie paliva oproti kyslému prostrediu.^[3] Pracujú pri teplotách od 60 °C do 200 °C.^[3] 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.^[3] Z priestoru anódy sa uvoľňuje voda.^[3]

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.^[3] Vzhľadom na to, že elektrolytom je plast, pracujú články s vodivými polymérmi pri izbovej teplote, maximálne 100 °C.^[3] 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.^[3]

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.^[3] 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.^[3] 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.^[3]

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.^[3] Pracovné teploty palivových článkov s pevnými oxidmi sú od 650 °C do 1000 °C.^[3] 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.^[3] Z priestoru anódy sauvoľňuje voda.^[3]

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.^[3] Taveniny je stabilizovaná anorganickou matricou, ktorej chemická podstata je podvojný oxid hlinito-lítny.^[3] Palivové články s roztavenými uhličitanmi pracujú pri teplotách 600 °C až 700 °C.^[3] Roztavené uhličitany sú však veľmi korozívne ku elektródam a vyžadujú materiály odolné proti korózii.^[3] Tieto články majú vysokú účinnosť premeny chemickej energie na elektrickú energiu.^[3] 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:

$H_{2}\ +\ CO_{3}^{2-}\ \longrightarrow H_{2}O\ +\ CO_{2}\ +2\ e^{-}$

Polreakcia redukcie na katóde:

${\frac {1}{2}}\ O_{2}\ +\ CO_{2}\ +2\ e^{-}+\ \longrightarrow CO_{3}^{2-}\$

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:

$CH_{3}OH\ +\ H_{2}O\ \longrightarrow CO_{2}\ +6\ e^{-}\ +6\ H^{+}$ ^[3]

Na katóde sa redukuje kyslík na vodu:

${\frac {3}{2}}\ O_{2}\ +6\ e^{-}\ +6\ H^{+}\longrightarrow 3\ H_{2}O\$

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).^[3]

Referencie

↑ KHURMI, R. S.. Material Science. [s.l.] : [s.n.]. Dostupné online.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g NOVÁK, Josef; BARTOVSKÁ, Lidmila; DOHNAL, Vladimír. Fyzikální chemie Bakalářský kurz. 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2015. ISBN 978-80-7080-559-6.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t ^u ^v ^w NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie - bakalářský a magisterský kurz. 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2008. ISBN 978-80-7080-675-3.

Externé odkazy

Chemický portál

[1] KHURMI, R. S.. Material Science. [s.l.] : [s.n.]. Dostupné online.

[:0-2] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g NOVÁK, Josef; BARTOVSKÁ, Lidmila; DOHNAL, Vladimír. Fyzikální chemie Bakalářský kurz. 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2015. ISBN 978-80-7080-559-6.

[:2-3] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t ^u ^v ^w NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie - bakalářský a magisterský kurz. 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2008. ISBN 978-80-7080-675-3.

[1]

[2]

[3]