Trendy a perspektívy vodíkových palivových článkov pre čistú dopravu

Tento článok sa zameria na vodíkové palivové články, trendy a perspektívy ich aplikácie. Palivové články na báze vodíka dnes priťahujú čoraz väčšiu pozornosť v automobilovom priemysle, pretože ak bolo 20. storočie storočím spaľovacieho motora, potom sa 21. storočie môže stať storočím vodíkovej energie v automobilovom priemysle. Už dnes vďaka vodíkovým článkom fungujú kozmické lode a v niektorých krajinách sveta sa vodík používa už viac ako 10 rokov na výrobu elektriny.

Vodíkový palivový článok je elektrochemické zariadenie ako batéria, ktoré generuje elektrinu chemickou reakciou medzi vodíkom a kyslíkom a produktom chemickej reakcie je čistá voda, pričom napríklad spaľovaním zemného plynu vzniká oxid uhličitý škodlivý pre životné prostredie.

Vodíkové články môžu navyše pracovať s vyššou účinnosťou, a preto sú obzvlášť sľubné. Predstavte si efektívne, ekologické motory áut.Ale celá infraštruktúra je v súčasnosti vybudovaná a špecializovaná na ropné produkty a rozsiahle zavádzanie vodíkových článkov v automobilovom priemysle čelí týmto a ďalším prekážkam.

Medzitým je od roku 1839 známe, že vodík a kyslík sa môžu chemicky spájať a tým získavať elektrický prúd, to znamená, že proces elektrolýzy vody je reverzibilný – to je potvrdený vedecký fakt. Už v 19. storočí sa začali skúmať palivové články, ale rozvoj výroby ropy a vznik spaľovacieho motora opustili vodíkové zdroje energie a tie sa stali niečím exotickým, nerentabilným a drahým na výrobu.

V päťdesiatych rokoch minulého storočia bola NASA nútená uchýliť sa k vodíkovým palivovým článkom a potom z núdze. Potrebovali kompaktný a efektívny generátor energie pre svoju kozmickú loď. Výsledkom bolo, že Apollo a Gemini leteli do vesmíru na vodíkových palivových článkoch, čo sa ukázalo ako najlepšie riešenie.

V súčasnosti sú palivové články úplne mimo experimentálnej technológie a za posledných 20 rokov sa dosiahol významný pokrok v ich širšej komercializácii.

Nie nadarmo sa do vodíkových palivových článkov vkladajú veľké nádeje. V procese ich práce je znečistenie životného prostredia minimálne, technické výhody a bezpečnosť sú zrejmé, navyše tento typ paliva je v podstate autonómny a je schopný nahradiť ťažké a drahé lítiové batérie.

Palivo vodíkového článku sa premieňa na energiu priamo v priebehu chemickej reakcie a získava sa tu viac energie ako pri klasickom spaľovaní.Spotrebuje menej paliva a účinnosť je trikrát vyššia ako u podobného zariadenia využívajúceho fosílne palivá.

Účinnosť bude tým vyššia, čím lepšie bude organizovaný spôsob využitia vody a tepla vzniknutého pri reakcii. Emisie škodlivých látok sú minimálne, keďže sa uvoľňuje iba voda, energia a teplo, pričom aj pri najúspešnejšie organizovanom procese spaľovania tradičného paliva nevyhnutne vznikajú oxidy dusíka, síra, uhlík a ďalšie nepotrebné produkty spaľovania.

Okrem toho samotný priemysel konvenčných palív má škodlivý vplyv na životné prostredie a vodíkové palivové články sa vyhýbajú nebezpečnej invázii do ekosystému, keďže výroba vodíka je možná z úplne obnoviteľných zdrojov energie. Dokonca aj únik tohto plynu je neškodný, pretože sa okamžite vyparuje.

Palivový článok nie je dôležitý, z ktorého paliva sa vodík získava na jeho prevádzku. Hustota energie v kWh / l bude rovnaká a tento ukazovateľ sa neustále zvyšuje so zlepšovaním technológie výroby palivových článkov.

Samotný vodík je možné získať z akéhokoľvek vhodného lokálneho zdroja, či už ide o zemný plyn, uhlie, biomasu alebo elektrolýzu (cez veternú, slnečnú energiu atď.). Mizne závislosť od regionálnych dodávateľov elektriny, systémy sú väčšinou nezávislé od elektrických sietí.

Prevádzkové teploty článku sú pomerne nízke a môžu sa pohybovať od 80 do 1000 °C v závislosti od typu prvku, pričom teplota v bežnom modernom spaľovacom motore dosahuje 2300 °C.Palivový článok je kompaktný, pri výrobe vydáva minimum hluku, nemá emisie škodlivých látok, preto ho možno umiestniť na akékoľvek vhodné miesto v systéme, v ktorom pracuje.

V zásade nielen elektrina, ale aj teplo, ktoré sa uvoľní pri chemickej reakcii, sa dá využiť na užitočné účely, napríklad na ohrev vody, vykurovanie alebo chladenie – týmto prístupom sa účinnosť výroby energie v článku priblíži 90 %.

Články sú citlivé na zmeny záťaže, takže so zvyšujúcou sa spotrebou energie treba dodať viac paliva. Je to podobné, ako funguje benzínový motor alebo generátor s vnútorným spaľovaním. Technicky je palivový článok implementovaný celkom jednoducho, pretože neexistujú žiadne pohyblivé časti, konštrukcia je jednoduchá a spoľahlivá a pravdepodobnosť zlyhania je v podstate extrémne malá.

Vodíkovo-kyslíkový palivový článok s protónovou výmennou membránou (napríklad «s polymérnym elektrolytom») obsahuje membránu vedúcu protóny z polyméru (Nafion, polybenzimidazol atď.), ktorá oddeľuje dve elektródy – anódu a katódu. Každá elektróda je zvyčajne uhlíková platňa (matrica) s naneseným katalyzátorom – platinou alebo zliatinou platinoidov a iných zlúčenín.

Na anódovom katalyzátore molekulárny vodík disociuje a stráca elektróny. Vodíkové katióny sú transportované cez membránu ku katóde, ale elektróny sú darované do vonkajšieho okruhu, pretože membrána neumožňuje elektrónom prejsť. Na katódovom katalyzátore sa molekula kyslíka spája s elektrónom (ktorý je dodávaný externou komunikáciou) a prichádzajúcim protónom a vytvára vodu, ktorá je jediným produktom reakcie (vo forme pary a / alebo kvapaliny).

Áno, elektromobily dnes jazdia na lítiové batérie. Nahradiť ich však môžu vodíkové palivové články. Namiesto batérie unesie zdroj energie oveľa nižšiu hmotnosť. Navyše, výkon auta možno vôbec zvýšiť nie zvýšením hmotnosti pridaním batériových článkov, ale jednoducho úpravou dodávky paliva do systému, kým je vo valci. Výrobcovia áut preto kladú veľké očakávania na vodíkové palivové články.

Pred viac ako 10 rokmi sa v mnohých krajinách sveta, najmä v USA a Európe, začalo pracovať na vytvorení vodíkových áut. Kyslík je možné extrahovať priamo z atmosférického vzduchu pomocou špeciálnej filtračnej kompresorovej jednotky umiestnenej na palube vozidla. Stlačený vodík sa skladuje vo vysokovýkonnej tlakovej fľaši pod tlakom asi 400 atm. Tankovanie trvá niekoľko minút.

Koncept ekologickej mestskej dopravy sa v Európe uplatňuje od polovice roku 2000: takéto osobné autobusy sa už dlho nachádzajú v Amsterdame, Hamburgu, Barcelone a Londýne.V metropole je mimoriadne dôležitá absencia škodlivých emisií a znížená hlučnosť. Coradia iLint, prvý železničný osobný vlak poháňaný vodíkom, vyšiel v Nemecku v roku 2018. Do roku 2021 sa plánuje spustiť ďalších 14 takýchto vlakov.

V priebehu nasledujúcich 40 rokov by prechod na vodík ako primárny zdroj energie pre automobily mohol spôsobiť revolúciu vo svetovej energetike a ekonomike. Aj keď je už jasné, že ropa a plyn zostanú hlavným trhom s palivami ešte minimálne ďalších 10 rokov.Niektoré krajiny však už investujú do výroby vozidiel s vodíkovými palivovými článkami, a to aj napriek tomu, že je potrebné prekonať mnohé technické a ekonomické bariéry.

Hlavnou úlohou je vytvoriť vodíkovú infraštruktúru, bezpečné čerpacie stanice, pretože vodík je výbušný plyn. Tak či onak, s vodíkom možno výrazne znížiť náklady na palivo a údržbu vozidla a zvýšiť spoľahlivosť.

Podľa predpovedí Bloombergu spotrebujú autá do roku 2040 1 900 terawatthodín namiesto súčasných 13 miliónov barelov denne, čo bude 8 % dopytu po elektrine, zatiaľ čo 70 % ropy, ktorá sa dnes na svete vyprodukuje, ide na výrobu paliva v doprave. . Samozrejme, v tomto bode sú vyhliadky trhu s batériovými elektrickými vozidlami oveľa výraznejšie a pôsobivejšie ako v prípade vodíkových palivových článkov.

V roku 2017 bol trh s elektrickými vozidlami 17,4 miliardy dolárov, zatiaľ čo trh s vodíkovými autami bol ocenený iba na 2 miliardy dolárov. Napriek tomuto rozdielu sa investori naďalej zaujímajú o vodíkovú energiu a financujú nový vývoj.

V roku 2017 tak vznikla Vodíková rada, ktorá zahŕňa 39 významných výrobcov automobilov ako Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Jeho účelom je výskum a vývoj nových vodíkových technológií a ich následná široká distribúcia.