Bioplynove_stanice - EcoTechnika

V oblakoch s palivovými článkami

Vďaka sústave keramických elektród BASF je alternatívna energia ľahšia a dostupnejšia.

lietadlo

Pokiaľ pri pohľade na štartujúci motorový klzák Antares DLR-H2 očakávate burácanie motora, budete prekvapení: lietadlo sa z plochy vznesie prakticky potichu. Neucítite ani pach paliva, pretože Antares je prvým lietadlom, ktoré je poháňané výlučne vodíkom. Systém, ktorý to umožňuje, sa skrýva pod krídlami lietadla. Práve tu sa vytvára elektrina pre elektronické systémy lietadla a elektrický motor. Srdcom systému je sústava keramických elektród (skrátene MEA), ktorú vyvinula divízia BASF Fuel Cell (BFC). V keramických elektródach sa premieňa priamo na elektrinu a teplo chemická energia, ktorá vznikla reakciou kyslíka a vodíka.

Antares DLR-H2 vyvinuli Nemecké letecké stredisko (DLR) a spoločnosť Lange Aviation s cieľom otestovať potenciál palivových článkov na využívanie v letectve. „Spoločnosť BASF sa na pilotnom projekte podieľa najmä preto, že chce podporiť rozvoj netradičných zdrojov energie, ktorých skutočný rozmach čakáme v blízkej budúcnosti, a to nielen v oblasti letectva," zdôrazňuje dr. Carsten Henschel z BFC. „V časoch obmedzených zdrojov energie môžu palivové články prispieť napríklad k zaisteniu plynulej dodávky energie. Vodík je totiž možné získať z mnohých rôznych zdrojov: od vetra, cez solárnu energiu až po zemný plyn alebo naftu. Táto technológia je navyše podstatne efektívnejšia než ostatné bežne používané a jej jediným odpadovým plynom je vodná para."

Pre výrobcov je teraz výzvou zostaviť čo najmenší a najľahší systém na báze palivových článkov, ktorý by mohol byť využitý v praxi. Kľúčovým faktorom na dosiahnutie tohto cieľa je, aby systém mal čo najmenej komponentov. Bežné systémy na palivové články fungujú pri teplotách maximálne 80 stupňov Celzia - preto potrebujú veľký počet pomocných jednotiek a taktiež veľmi zložitý riadiaci systém, ktorý bude v lietadle fungovať tak na zemi, ako aj vo vysokých nadmorských výškach. Technológia MEA, ktorú vyvinul koncern BASF, teraz otvára konštruktérom úplne nové možnosti: táto novinka spočíva vo svetovo prvej komerčne dostupnej membráne pre palivové články, ktorá umožňuje prevádzkové teploty až 180 stupňov Celzia. Nové systémy sú predávané pod značkou Celtec®. Palivové články obsahujúce tento materiál je možné chladiť vzduchom, takže nie je potrebné vôbec používať vodu. Tým sa eliminuje potreba zvlhčovačov vzduchu, vodných čerpadiel, nádrží, ventilov a čistiacich systémov.

Vynikajúca účinnosť membrány Celtec nie je na prvý pohľad zrejmá: tenký obdĺžnik veľkosti ľudskej dlane vyzerá ako kus úplne bežnej plastovej fólie. Výskumníkom spoločnosti BASF sa však podarilo vyrobiť membránu, ktorá ako hlavný komponent používa tepelne-stabilný polymér polybenzimidazol. Tento plast, ktorý sa okrem iného používa aj pri výrobe zásahových oblekov pre hasičov prepožičiava membráne odolnosť voči extrémnym teplotám. Vysoká prevádzková teplota taktiež zabraňuje tomu, aby sa na platinovej elektróde (anóde) hromadili nečistoty obsiahnuté vo vodíku. V MEA funguje platina ako katalyzátor spúšťajúci elektrochemickú reakciu. Nečistoty by jej funkciu katalyzátoru však blokovali. Vzhľadom na to, že palivové články s vysokou teplotou tolerujú vyššiu úroveň nečistôt vo vodíku než systémy fungujúce pri nízkej teplote, je čistenie vodíka podstatne jednoduchšie- vďaka tomu je systém palivových článkov ešte robustnejší, jednoduchší a v neposlednom rade i lacnejší na výrobu. „Vďaka materiálu Celtec potrebujú teraz systémy využívajúce palivové články o tretinu menej komponentov. Celkové náklady na výrobu sa tak znížia o celých 40 percent. Práve vývoj tejto membrány odolnej voči vysokým teplotám konečne urobil z technológie palivových článkov zaujímavý komerčný produkt," vysvetľuje odborník BFC Henschel.

Aby palivový článok dokázal vyprodukovať dostatočné množstvo elektriny pre praktické použitie - ako je napríklad poháňanie motorového klzáku Antares - je treba zoradiť niekoľko takých článkov do série, pretože jeden palivový článok dokáže vyprodukovať približne len 600 až 700 milivoltov. Dánska spoločnosť Serenergy vyvinula špeciálne pre lietadlo Antares výrazne odľahčenú, vzduchom chladenú sústavu, ktorá obsahuje stovky palivových článkov vybavených technológiou Celtec MEA. Každá MEA je pritom uzavretá v matici elektricky vodivých grafitových platní. Tie spájajú jednotlivé palivové články, vedú elektrinu a prostredníctvom špeciálnych vedení dodávajú MEA kyslík a vodík. Vďaka tomuto dômyselnému vynálezu môžu palivové články vyniesť Antares do oblakov."

„Ak úspešne prebehnú všetky testovacie lety prototypu Antares, chceli by sme tento systém inštalovať do Airbusu A320. Ten bude optimalizovaný pre použitie vo veľkom lietadle, kde by mal v budúcnosti zabezpečovať efektívnu výrobu elektrickej energie, ktorá sa spotrebúva na palube," vysvetľuje dr. Josef Kallo z DLR v Stuttgarte. Vo veľkom lietadle potom bude palivový článok všestrannou súčiastkou: vyrábaná elektrina sa bude používať nielen ako zdroj energie na palube, ale vedľajšie produkty ako teplo a voda sa budú využívať ako „rozmrazovač" pre krídla a teplá voda i na toaletách. DLR má v pláne dokončiť letové testy v roku 2010, potom bude palivový článok po prvýkrát použitý v lietadle A320 ATRA, ktoré vlastní DLR.

Vyhliadky do budúcnosti

Palivové články odolné voči vysokým teplotám by sa v dohľadnej dobe mohli používať v prenosných zariadeniach určených napríklad na kemping, ako zdroje tepla a elektriny v súkromných domoch a do budúcnosti rozhodne nie je vylúčené ani ich použitie v automobiloch. Technológia sa teší taktiež značnému záujmu medzi výrobcami elektroniky, pretože v tomto odvetví by palivové články našli uplatnenie v mobilných telefónoch, rádio zariadeniach i prenosných počítačoch.

Elektrochémia na rýchlom vzostupe

Dejiny palivového článku sa začali písať v roku 1838 v laboratóriach nemecko-švajčiarskeho chemika Christiana Friedricha Schönbeina a velšského fyzika Williama Roberta Grovea. Títo dvaja vedci vtedy spoločne urobili niekoľko experimentov, v ktorých skúšali využitie palivových článkov. Materiál bol vtedy bohužiaľ veľmi ťažko dostupný, a tak na ich vynález sadal prach v učebniciach elektrochémie. Do praxe túto technológiu uviedli až americkí leteckí konštruktéri zhruba o sto rokov neskôr: palivový článok sa vydal do kozmu spoločne s vesmírnymi kapsulami Apollo.

Elektrochemická reakcia v elektrolytovej membráne z polyméru (PEM) sa odohrává v zostave keramických elektród (MEA): na dve elektródy tejto sústavy je neustále privádzaný vodík a kyslík - vodík na anódu, kyslík na katódu. Tieto dve elektródy sú od seba oddelené polymérovou membránou. Pomocou katalyzátora sa vodík rozkladá na pozitívne nabité protóny a negatívne elektróny. Polymérová membrána umožňuje prechod na druhú stranu len protónom, zatiaľ čo elektróny musia putovať okľukou cez elektrický vodič: tadiaľto je odvádzaný elektrický prúd. Nakoniec sa protóny a elektróny opäť stretnú na katóde s kyslíkom a pri tejto reakcii vzniká voda.

Oxidačné činidlo kyslík je v prírode hojne prítomný a do palivového článku sa väčšinou dostáva vzduchom, ktorý obsahuje zhruba 21 percent kyslíka. Po elektrochemickej reakcii v palivovom článku sa kyslík spotrebuje, a zo vzduchu tak zostanú zvyšné komponenty: dusík, vzácne plyny a oxid uhličitý. Tieto tri komponenty vytvárajú „inertujúci plyn", ktorého sa palivový článok zbavuje na katóde. A podobne ako vedľajšie produkty typu tepla i vody, sa i plyn uvoľňovaný z katódy môže využiť na palube lietadla. Pokiaľ sa tento plyn privedie do nádrže, výrazne znižuje zápalnosť zmesi leteckého paliva a vzduchu, a tak zabraňuje explóziám.

-red-

Späť

Témy:

Bioplynové stanice v EcoTechnike