Funkcia a konštrukcia palivového článku

Vykurovanie palivovým článkom vyrába teplo a elektrický prúd kontrolovanou reakciou vodíka a kyslíka. Aby to fungovalo, je nutná špeciálna konštrukcia palivového článku. Prehľad o konštrukcii a funkcii tejto modernej vykurovacej techniky nájdete v nasledujúcom príspevku.

Fungovanie vykurovania palivovým článkom v prehľade

Vykurovanie palivovým článkom považujú mnohí experti za vykurovací systém budúcnosti, pretože vyrába nielen teplo, ale aj elektrický prúd. Takto vyrobený prúd znižuje spotrebu vo vlastnom dome a vedie k vysokým finančným úsporám.

Elektrochemická reakcia vodíka a kyslíka

Základom fungovania je reakcia plynov bohatých na vodík s kyslíkom. Na rozdiel od pokusov, ktoré poznáte z hodín chémie, však pritom nedochádza k detonácii. O to sa stará špeciálna konštrukcia palivového článku.

Elektrický prúd a teplo umožnené konštrukciou palivového článku

Palivový článok pozostáva okrem dvoch elektród z plynotesného iónového vodiča. Keď sa vodík dostane na prvú elektródu, rozštiepi sa pôsobením katalyzátora na elektróny a ióny. Elektróny pretekajú cez elektrický vodič k druhej elektróde a vzniká elektrická energia.

Ióny súčasne prekĺzavajú cez izolačnú bariéru, ktorá je priepustná len pre ióny, a spájajú sa na druhej strane s kyslíkom a elektrónmi na vodu. Pritom vznikajúce teplo sa potom dá preniesť na vykurovacie zariadenie. 

Konštrukcia palivového článku

Jednotlivé články sa skladajú z dvoch elektród, vždy jedného katalyzátora a jednej izolačnej bariéry vedúcej ióny. V závislosti od typu palivového článku sa však konštrukcia palivového článku môže líšiť. Principiálne pritom možno rozlišovať vysoko teplotné a nízko teplotné palivové články.

Konštrukcia palivového článku pre vysoké teploty

Vysoko teplotné palivové články pracujú pri prevádzkových teplotách do 1000 stupňov Celzia. Aj keď síce trvá určitú chvíľu, pokým sa tieto teploty dosiahnu, články pracujú spoľahlivo aj s nečistým vodíkom. Tak je možná napríklad reformácia zemného plynu pomocou katalyzátora elektródy. Drahý a energeticky intenzívny externý reformér pritom v konštrukcii palivového článku nie je potrebný.

Izolačná bariéra medzi obidvomi elektródami môže byť vytvorená okrem iného z pevného elektrolytu (palivový článok s pevným elektrolytom SOFC) alebo z tavených uhličitanov (palivový článok s tavenými uhličitanmi MCFC).

Konštrukcia palivového článku pre nízke teploty

Nízkoteplotné palivové články pracujú naopak pri teplotách nižších ako 100 stupňov Celzia. Pretože tieto teploty sa pri prevádzke dosiahnu rýchlo, sú nízkoteplotné palivové články vhodné aj na mobilné využívanie, napríklad vo vozidlách na vodíkový pohon. Materiály však citlivo reagujú na oxid uhoľnatý, čo znamená, že pracujú iba s čistým vodíkom. To zase vyžaduje v konštrukcii palivového článku reformér.

V závislosti od druhu izolačnej bariéry medzi pozitívnou a negatívnou elektródou rozlišujeme:

• alkalické palivové články (AFC) s elektrolytom z vodného roztoku hydroxidu draselného
• palivové články s polymérnym elektrolytom (PEFC alebo PEM) s membránou ako separačnou vrstvou
• palivové články pre priame použitie metanolu (DMFC) s membránou ako separačnou vrstvou
• palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) s elektrolytom z takmer bezvodej kyseliny fosforečnej

„Stohy“ palivových článkov dodávajú dostatočne vysoké napätie

Pretože jednotlivé články dosahujú napätie len 0,5 až 1,0 V, v praxi sa články spájajú do stohov. Hodnoty napätia sa sčítavajú, čo umožňuje poskytnutie dostatočnej energie. Elektródy sa pritom nachádzajú na takzvaných bipolárnych doskách, ktoré môžu byť napríklad z kovu alebo môžu byť vytvorené z uhlíkových nanotrubíc.