Palivové články - nový energetický zdroj

Palivové články představují nový velice perspektivní energetický zdroj, který ještě v tomto století přinese významné změny do světové energetiky a do řady oblastí našeho života. Přestože se nyní nacházíme před zahájením jejich průmyslové výroby, ani naše odborná veřejnost není dostatečně o této problematice informována. Tento první, ze zamýšlené série článků v našem časopise, přináší proto souhrn základních údajů a informací, sloužících k pochopení významu palivových článků a jejich možností pozitivně ovlivnit energetickou a ekologickou situaci na této planetě.

Následující obrázek ukazuje ekologické autobusy, které byly používány v období 1998 až 2000 v městské dopravě v Chicagu a Vancouveru s vynikajícími výsledky.

Ačkoliv princip palivových článků byl známý již přibližně před 160 lety (přesně od roku 1839), k prvnímu jejich praktickému využití došlo až v 60. letech minulého století v kosmických zařízeních. Jejich úspěšný provoz naznačil potenciální možnosti komerčního využití, ale mnoho technických překážek a vysoké investiční náklady nedávaly naději, že by mohly ekonomicky konkurovat existujícím energetickým technologiím. K zásadnímu obratu došlo až po naftové krizi 70-tých let, kdy vládní organizace v USA vyhlásily velkou podporu výzkumu a vývoji palivových článků. Od té doby začala velmi intenzivní výzkumná činnost, do které se zapojily stovky společností a institucí po celém světě za významné finanční podpory jednotlivých vlád. Tento vývoj se speciálně v posledních letech neustále urychluje a na celém světě jsou na něj nyní vynakládány ročně více než dvě miliardy dolarů. Výsledkem je řada prototypů palivových článků v různých odvětvích a konkrétní příprava průmyslové výroby, jejíž zahájení lze očekávat v nejbližším období.

Palivový článek můžeme definovat jako elektrochemický zdroj stejnosměrného proudu, který uskutečňuje přímou přeměnu chemické energie vodíkového paliva na energii elektrickou. Tato přeměna se děje katalytickými reakcemi na elektrodách a je v podstatě založena na obráceném principu elektrolýzy vody. Svou činností se palivový článek podobá klasickým akumulátorům, ve kterých je rovněž uskutečňována přímá přeměna chemické energie na elektrickou. Na rozdíl od nich však používá z vnějšku dodávané palivo, což mu umožňuje libovolně dlouhý provoz.

Palivem do palivových článků může být vodík v plynném nebo zkapalněném stavu, nebo je ve většině případů možné používat i nepřímá paliva, z kterých je vodík uvolňován tzv. reformovacím procesem. Mezi nejvýznamnější nepřímé zdroje vodíku patří zemní plyn, metan, propan a metylalkohol. Do budoucna se počítá i s využíváním dosavadních pohonných hmot do současných automobilů se spalovacími motory, jejich reformování je však velmi složité a nebude zřejmě vyřešeno v nejbližších letech.

Přenosný palivový článek pro napájení mobilních telefonů.

Proti ostatním energetickým zdrojům mají palivové články řadu výhod, z nichž na prvním místě lze jmenovat významně vyšší účinnost a ekologický provoz. Při využívání primárních energetických zdrojů, jako je dřevo, uhlí, ropa, zemní plyn se obyčejně provádí jejich spalování. Vzniklá horká voda nebo pára či plyny slouží buď jako dodavatel tepla, nebo pro pohon parních kotlů, spalovacích motorů a turbin s využitím dalších mechanických zařízení jako jsou alternátory a generátory pro výrobu elektrické energie. Tento nepřímý postup výroby energie z původního zdroje je zatížen velkými ztrátami a má tedy nízkou účinnost. Navíc značně ohrožuje životní prostředí produkcí nadměrného množství odpadů do ovzduší.

Při výrobě elektrické energie dochází k dalším velkým ztrátám v rozvodné síti při přenosu z velkokapacitních elektráren ke spotřebiteli. Při provozu vodíkových palivových článků je jediným odpadním produktem čistá voda, při využívání reformovaných paliv je produkováno určité množství oxidu uhličitého, které je však významně nižší než u ostatních zdrojů, a dále nepatrné množství oxidu dusíku, případně dalších produktů podle druhu reformovaného paliva. Z dalších předností palivových článků lze jmenovat nepatrné nároky na údržbu (mají minimum nebo žádné pohybující se části), tichý provoz a některé typy jsou schopné dodávat elektrickou energii ihned po spuštění reakce. Mohou tedy dobře sloužit i k pohonu dopravních prostředků. Bezhlučný provoz, nepatrné vyzařování infračerveného záření a minimální tvorba emisí jsou velice oceňovány při vojenském využívání, protože vedle ostatních výhod výrazně snižují detekovatelnost proti současně používaným polním energetickým zdrojům.

Obrovský potenciální význam palivových článků pro lidstvo v oblasti energetiky, ekologie a dopravy lze ukázat na následujících informacích a číslech: Současná světová energetická spotřeba se týká převážně omezeného množství obyvatel ve vyspělých zemích. Pro příští desítiletí i století je očekáván další výrazný nárůst energetických požadavků především v současných rozvojových zemích latinské Ameriky, Afriky a Asie. Jen do roku 2020 se spotřeba energie ve světě zvýší o 60% proti stavu v roce 1997 a následující obrázek ukazuje, jak se na tomto růstu budou podílet jednotlivé části světa.

Nárůst spotřeby el. energie v různých částech světa v období 1997 až 2020

Protože primární energetické zdroje nejsou nevyčerpatelné a jaderná energetika ztratila ve světě po černobylské havárii popularitu a mnoho příznivců, je zapotřebí začít využívat tzv. obnovitelné energetické zdroje. Solární a větrnou energii zatím neumíme využívat dostatečně a proto již dnes je zřejmý význam vodíku jako jednoho z velmi důležitých obnovitelných energetických zdrojů. Předpokládaný nárůst světové energetické spotřeby do r. 2500 a zdrojů pro její zabezpečení ukazuje obrázek.

Prognóza spotřeby energie a její zdroje

Podíváme-li se na tuto problematiku z ekologického hlediska, docházíme k překvapujícím a zneklidňujícím skutečnostem. Emise do ovzduší ohrožují v současné době zdravotně 1 miliardu obyvatel planety a ročně na jejich negativní působení umírá 700 tis. lidí. Jen oxidu uhličitého je ročně vypouštěno do ovzduší přes 7 mld. tun, což činí víc než tunu na každého obyvatele planety. Ve Spojených státech ale už se jedná o 20 t ročně na osobu a v největších světových metropolích je uvolňované množství tohoto plynu ještě rozsáhlejší. Dalším závažným faktem je, že oxid uhličitý tvoří podstatnou část tzv. skleníkových plynů, které způsobují postupné oteplování planety. I když za 150 let, kdy je tento údaj proměřován, vzrostla průměrná teplota planety o 1 °C, poslední odborné odhady varují, že při zachování současných trendů by na konci 21. století mohla teplota stoupnout až o 6 °C proti dnešnímu stavu. Následky tohoto nárůstu by pro lidstvo zřejmě mohly být katastrofální.

Na této neutěšené situaci mají velmi výrazný podíl právě výroba energií a silniční doprava. Uhelné elektrárny produkují dnes 25 % všech emisí oxidu uhličitého a cca 40 % oxidů dusíku a síry. 25 % veškerých skleníkových plynů pochází z provozu automobilů. Spálením 1 l benzínu v automobilu je uvolňováno do vzduchu cca 2,5 kg CO₂. V současné době je ve světě v provozu cca 700 miliónů automobilů. Díky předpokládanému nárůstu opět především v rozvojových zemích má být 1 miliarda automobilů překročena mezi lety 2015 - 2020, přičemž prognózy pro rok 2030 předpokládají 1,6 miliardy automobilů. Při tomto rozvoji silniční dopravy a výroby energií by i v tomto období bylo uvolňováno do ovzduší přibližně dvojnásobné množství CO₂ než dnes.

Z tohoto obecného výčtu je zřejmé, proč je bezpodmínečně nutné využívat nové energetické zdroje a řešit zásadní změny v automobilovém průmyslu. I když zatím nelze přesně odhadnout (a existují o tom odborné spory), co všechno nárůst koncentrace skleníkových plynů a dalších emisních produktů a z něho vyplývající globální oteplování země přinese, jedno je jasné. Opatření, ke kterým lidstvo přistoupí v příštích 10 letech, mohou velmi významně ovlivnit životy příštích generací. Jeden pozitivní krok se jeví z tohoto pohledu naprosto jasně. Průmyslové výrobě palivových článků na všech frontách už nelze zabránit.

Druhy palivových článků
Palivové články dělíme jednak podle používaného elektrolytu, jednak podle teploty, při které pracují. Jejich stručný přehled obsahuje následující tabulka:

Článek		Elektrolyt	Pracovní teplota (°C)	Rozmezí výkonů
Nízkoteplotní	Alkalický (AFC) Membránový (PEMFC)	Roztok KOH Iontoměničová membrána	70 - 100 20 - 100	0,5 - 100 kW mW - 500 kW
Středně teplotní	Kyselý (PAFC)	Roztok kyseliny fosforečné	170 - 200	do 15 MW
Vysokoteplotní	Z tavených karbonátů (MCFC) Z vodivých oxidů (SOFC)	Tavenina karbonátů Li, Na, K Keramické oxidy zirkonia	600 - 700 700 - 1000	do 100 MW do 100 MW

Z uvedených druhů palivových článků všechny s výjimkou alkalických mohou používat vedle vodíku i reformovaná paliva a jako oxidační činidlo kyslík z okolního vzduchu. Alkalické články nesnáší kysličník uhličitý, takže pracují jen s čistým vodíkem a i vzduch jako zdroj kyslíku musí být předem zbaven kysličníku uhličitého. K membránovým palivovým článkům lze ještě přiřadit tzv. přímé metanolové palivové články (DMFC). V nich lze používat nereformovaný metanol, který je schopen v palivovém článku uvolňovat potřebný vodík bez reformování. Těmto článkům je předpovídána velká budoucnost a jejich vývoji je věnována intenzivní pozornost. Zatím jsou využitelné jen jako malé nízkovýkonné přenosné energetické zdroje.

Průmyslové uplatnění palivových článků
Palivové články budou využívány ve třech základních oblastech. Do prvé patří statické kogenerátory elektrické a tepelné energie, jejichž účinnost díky využitelnosti odpadního tepla se pohybuje mezi 80-85 %. Budou instalovány přímo v místech spotřeby, takže odpadají rozsáhlé rozvodné sítě. Zaručují zároveň nezávislost spotřebitele na poruchách v rozvodné síti nebo na jejím poškození živelnými pohromami. Připravována je výroba jednak malých kogenerátorů pro rodinné domy o elektrickém příkonu 5-10 kW, jednak velkých zařízení, pro velké budovy nebo komplexy i celá sídliště. Jejich elektrický příkon bude podle potřeby a druhu palivového článku 200 kW až 100 MW. Vedle elektrické energie produkují tyto statické kogenerátory na každou kWh elektrické energie přibližně stejné množství energie tepelné. Tyto energetické zdroje mohou být instalovány i v odlehlých místech, což je výhodné pro vojenské využití, ale i pro budoucí elektrifikaci odlehlých končin v rozvojových zemích.

Dva typy japonských automobilů firem Honda a Toyota, kterých začne být uváděno do provozu celkem 50 kusů v Kalifornii a v oblasti Tokia ještě před koncem letošního roku.

Do druhé oblasti patří využívání palivových článků pro všechny druhy pozemní a vodní dopravy, v prvé řadě však pro pohon automobilů. Účinnost spalovacích motorů současných automobilů po cca stoletém vývoji se pohybuje v rozmezí 20 - 25 %, přičemž účinnost na pohyb kol automobilů se dále snižuje na 16 až 19 % kvůli ztrátám v převodech. U elektromotorů s palivovými články je účinnost proti spalovacím motorům přibližně dvojnásobná a vztaženo na pohyb kol může být i trojnásobná. Kromě toho automobily s palivovými články budou mít poměrně brzy značně větší dojezd na jednu náplň paliva než dnešní automobily se spalovacími motory.

Miniaturní přenosné palivové články zabírají oblast třetí. Nemají žádné periferní zařízení jako ostatní palivové články, mohou fungovat i při běžných teplotách a u tzv. dýchacích článků není ani zapotřebí dodávat vzdušný kyslík - ten si samy odebírají z okolí. U nich není hlavním požadavkem vysoká účinnost či výkon, ale vysoká tzv. energetická kapacita, vyjadřovaná počtem watthodin na kg váhy nebo litr objemu. Slouží k pohonu veškerých přenosných elektronických zařízení, všude tam, kde se v současné době používají akumulátory a baterie. Jestliže energetická kapacita akumulátorů a baterií se ve většině případů pohybuje v desítkách watthodin na kg váhy a jen u těch nejdokonalejších a nejdražších překračuje 200Wh/kg, přenosné palivové články již dnes dosahují 400 Wh/kg a brzy budou dosahovat až 1000 Wh/kg. Na jednu náplň paliva je jejich výdrž 3 - 4 krát delší, přičemž obměna palivového zásobníku je otázkou několika vteřin. Nechá se tedy očekávat, že brzy nahradí většinu těchto dosud používaných zdrojů, z nichž velkou část je zapotřebí po určité době provozu dlouze nabíjet.

Energetický zdroj pro rodinné domy německé fy Vaillant, jehož výroba bude zahájena v roce 2003

Ze všech druhů palivových článků se jako nejperspektivnější jeví palivové články membránové, které jako jediné se uplatňují ve všech třech jmenovaných oblastech. Při tom pro pohon automobilů a jako přenosné palivové články jsou zatím naprosto bezkonkurenční. Pouze u statických energetickým generátorů převažují v současné době středně teplotní palivové články na bázi kyseliny fosforečné, v budoucnu to budou ale především vysokoteplotní palivové články na bázi vodivých oxidů.

Přes výrazné pokroky ve vývoji palivových článků nebylo možné zatím zahájit jejich průmyslovou výrobu především z ekonomických než z technických důvodů. Náklady na výrobu palivových článků a produktů z nich jsou stále příliš vysoké, aby mohly být schopné konkurence. Ceny jednotlivých druhů se pohybují od 5 000 do 10 000 $/kW instalovaného výkonu.

Přestože dosavadní vysoké ceny byly dosud výrazně ovlivňovány i kusovým způsobem výroby, je hlavní vývojové úsilí v posledních letech zaměřeno právě na ekonomickou problematiku. Výrobci automobilů tvrdí, že i při dnešním stavu vývoje a cenách surovin by mohli konkurovat automobilům se spalovacími motory při roční produkci 200 tis. kusů.

Úsilí o maximální snižování ceny je hlavním hnacím motivem pro všechny organizace, podílející se na vývoji a výrobě. Výsledky tohoto úsilí jsou v některých případech velmi zjevné. Např. v roce 1995 vycházela cena prototypu automobilu na 10 000 $/kW instalovaného výkonu. Tak např. první Fordův prototyp osobního automobilu vyšel na 600 tis $. V roce 1999 postavilo konsorcium Daimler - Chrysler - Ford prototyp automobilu NECAR 4, u něhož bylo docíleno celkových nákladů 600 $/kW instalovaného výkonu.

U nejuniverzálnějších membránových palivových článků se na jejich vysoké ceně podílí hlavně velmi drahé fluorované membrány, platinový katalyzátor elektrodových reakcí a uhlíkaté součásti palivových článků (difúzní elektrodové vrstvy z porézních uhlíkových papírů či textilií a uhlíkové bipolární desky nebo fólie).

Fluorované membrány typu Nafion jako jediné doposud použitelné v palivových článcích vyrábí jen několik málo firem v USA a Japonsku. Jejich současná cena při velkoodběrech je kolem 800 $/m², při malých odběrech však stoupá na 2 - 4 tis. $/m². Proto je vyvíjen velký tlak na vývoj levnějších nefluorovaných membrán pro použití v palivových článcích. Na tomto vývoji se úspěšně podílejí i některá pracoviště v ČR.

I přes tyto nepříznivé okolnosti byly do současné doby vyrobeny stovky prototypů palivových článků nejrůznějších druhů, o nichž bude uvedeno více podrobností v dalším článku.