Palivové články - revoluce za dveřmi?

7. 6. 2006 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Jakub Pavlis

V nejbližší době (možná právě letos nebo příští rok) přijdou na široký trh palivové články, které budeme namísto známých akumulátorů potkávat (nejen) v noteboocích stále častěji. I když se jim mnohokrát předvídalo brzké komerční nasazení, tak je dosud vídáme pouze v prototypech. Kde je ''zakopaný pes'', jak vlastně fungují a co mohou nabídnout majitelům notebooků bude dnešním tématem.

I nejpokročilejší dnešní baterie typů Li-Ion či Li-Pol mají řadu nevýhod. Nevydrží příliš dlouho, nemají velkou kapacitu a především jste s nimi závislí na elektrické síti – i ten nejmobilnější notebook vydrží bez sítě jen asi šest hodin. Výrobci elektroniky tedy soustředili svou pozornost na palivové články. Ty je možno „dobíjet“ podle typu nejrůznějším palivem, jsou ekologické jak vzhledem ke svému provozu, tak materiálům, z nichž jsou vyrobeny. Neprodukují prakticky žádný odpad a počítá se i s velkým miniaturizačním potenciálem.

Historie
Princip palivových článků je možná až překvapivě starý – už roku 1839 se přišlo na to, že vodík a kyslík mohou v obyčejném galvanickém článku reagovat a vybudit na elektrodách elektrický proud. Objev sice nezapadl, ale prvního praktického využití se dočkal teprve v šedesátých letech minulého století v americkém vesmírném programu, v projektu Apollo. Ale zase jen krátká epizoda. Teprve v devadesátých letech spolu s pokračující miniaturizací a zvýšenými nároky na proudové odběry začaly být články znovu aktuální. Díky pokračující technologii a vzniku nových materiálů se začaly palivové články jevit jako výhodné řešení.

Princip
Zde se neobejdeme bez trochy, byť primitivní, chemie. Základním principem je v podstatě řízené spalování, tedy oxidace, vodíku. Také by se to dalo popsat jako obrácená elektrolýza: reakce se obvykle zúčastní kyslík obsažený ve vzduchu, který prochází přes katodu, druhým reaktantem je vodík, ať už samotný nebo vázaný v nějakém palivu (nejčastěji metanolu), který prochází přes anodu, katalyzátor a elektrolyt, aby se pak sloučil s kyslíkem na vodu. Na katodě vznikají záporné ionty vodíku a volné elektrony, které přecházejí do elektrického systému. Kationty vodíku jsou pak vysoce vazné a snadno reagují s kyslíkem – „spálí“ se na vodu. Při reakci vzniká ještě teplo – celkem tady voda, teplo a elektřina. Při reakci složitějších paliv, právě například metanolu, dochází ještě k uvolňování CO2, ale v opravdu zanedbatelném množství.

Schéma funkce DMFC palivového článku.

Druhy
V současnosti existuje celá řada druhů palivových článků, jednak je můžeme rozdělit podle operační teploty – nízkoteplotní provádí spalování v pásmu cca 60 - 120ºC , vysokoteplotní mohou fungovat v teplotách nad 1000 ºC. Praktičtější dělení je podle druhu elektrolytu:
DMFC – přímý metanolový článek – s ním se potkáme v mobilních zařízeních nejčastěji, jako palivo využívá roztok metanolu a vody, který vede přímo k elektrodám. Pracuje na velmi nízkých teplotách.
PEMFC – membránový – jako elektrolytu jsou využívány membrány blokující elektrony – jsou vyráběny z hi-tech materiálů, proto se mohou prodražit. Také pracují při nízkých teplotách.
AFC – alkalické články – potřebují ke správnému fungování čistý vodík, a to je problém. Použity byly právě v projektu Apollo, dnes je to překonaná technologie.
PACF – jako elektrolyt je použita kyselina fosforečná – tyto články mají již střední provozní teplotu, ale jsou vhodné pro řadu aplikací, například pro ekologické automobily.
SOFC – solid oxid, tedy s pevným okysličovadlem, jsou články pracující na teplotách kolem 1000ºC. Pro notebooky to ideální není, ale díky vyvíjené páře by v budoucnu mohly sloužit jako elektrárny a teplárny v jednom.

Prozatím je nejjednodušší využívat články jako nezávislé dobíječky běžných akumulátorů.

Výhody
Největší výhodou je bezesporu nezávislost na elektrické síti, absolutní mobilita a kontinuita provozu. Nemusíte se bát žádného paměťového efektu, u palivových článků není žádná dobíjecí doba – jako u auta – dokud máte palivo, jedete. A u notebooku snad nebude obtížné dolévat palivo ani za chodu:-) Do budoucna se očekává i velký nárůst poměrné doby výdrže. Zatím jsou sice články poměrně velké, ale už dnes vydrží 3 x až 10 x déle než standardní baterie. Další výhodou je ekologičnost provozu – u notebooků ji tolik neoceníme, ale u aut v centru města určitě ano. Vedle ní je to i efektivita – dnešní první články mají efektivitu na úrovni 60%, očekává se další rapidní nárůst. Pro srovnání, nejlepší elektrárenské turbíny mají účinnost pod 40%! A nakonec doba životnosti – prozatím ji nelze přesně určit, navíc bude kolísat podle použitých materiálů, ale každopádně bude násobně větší, než je životnost jakýchkoli akumulátorů.

Dnešní článek schopný napájet PDA – velikost prozatím jeho silnou stránkou není, ale možná už brzy...

Problémy
Palivové články jsou ještě v plenkách, skoro ještě v nulté generaci, a to s sebou nese celou řadu obtíží. Nejlépe články pracují s čistým vodíkem. Ten se ovšem velmi špatně skladuje, vyžaduje obrovskou těsnost, neboť má nejmenší atomy vůbec, problémy jsou i s výrobou. Jako nejjednodušší řešení se dnes jeví metanol, ale experimentuje se s celou řadou dalších paliv. Na úspěch to vypadá s hydroboritanovým gelem, který v sobě dokáže navázat podstatně víc vodíku než metanol, dále probíhají experimenty s glukózou – miničlánky by tak mohly získávat palivo třeba z lidské krve, a tím by byl velmi elegantně vyřešen problém s napájením voperovaných kardiostimulátorů ap.

V podstatě vyřešeným problémem je chlazení – i 60 či 70 ºC je poměrně hodně a je třeba je nějakým způsobem chladit, kdo máte silnější procesor v malém notebooku, jistě víte, o čem mluvím. Cesta vede spíše úpravou technologie, nejnovější články pracují na stále nižších teplotách. Obtíže přináší i nutná miniaturizace mechanických součástí, především palivového čerpadla. Jistou otázku vyvolává i schopnost dodat dost proudu pro výkonové špičky – třeba u mobilního telefonu to je volání.

Až absurdně komický problém přináší i dnešní legislativa – metanol je vysoce hořlavá látka, takže kvůli bezpečnostním opatřením byste se prozatím se svým hypermobilním přístrojem neměli dostat například do letadla.

Snad posledním problémem bude věc v elektrotechnickém světě naprosto samozřejmá – válka standardů. Zatím není jistá, ale stát se to může. Výrobci budou obhajovat svoje vlastní normy a patenty, takže by se mohlo stát, že třeba nebude vzájemně kompatibilní palivo.

Palivový miničlánek pro napájení nízkonapěťových spotřebičů – například mp3 přehrávačů.

Závěr
Palivové články se pomalu připravují na masivní vstup na trh. První generace, tak jako vždy, budou mít své „mouchy“, navíc si ještě nějakou dobu počkáme na skutečně miniaturizovaná provedení třeba pro mp3 přehrávače. Pro výrobce však už dnes představují prioritu a investice do vývoje se jen hrnou. Dle mého se máme nač těšit.