Palivové články, tedy technologie, která se prosadila nejdříve v kosmických lodích a teprve poté zamířila do energetiky, nabízejí uplatnění i v budoucnosti, v níž se bude nutné obejít bez fosilních paliv. Na vývoji palivových článků se podílí profesor Fakulty chemické technologie Vysoké školy chemicko-technologické v Praze Karel Bouzek. Za výzkum v této oblasti byl loni nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Na princip palivového článku přicházeli vědci už v 19. století. Rozvoj výzkumu nastal až v šedesátých letech 20. století, kdy jimi byly vybaveny kosmické lodi programu Apollo. Palivové články dodávaly elektřinu spolehlivě, ale draze, což v kosmickém programu až tolik nevadilo, na Zemi však ano. Nicméně ceny klesají a dnes palivové články najdeme v průmyslu i v dopravě ve vozidlech na vodík.
„Odpadem“ je čistá voda
Palivový článek je elektrochemické zařízení (vlastně typ galvanického článku), které přímo proměňuje chemickou energii paliva a okysličovadla na elektřinu. Palivo se přivádí k záporné elektrodě, okysličovadlo ke kladné. V důsledku reakcí probíhajících na elektrodách vzniká elektrický proud.
„Nejelegantnější“ palivový článek používá k získání elektřiny jako palivo vodík a jako okysličovadlo kyslík. Při reakci pak kromě elektřiny vzniká jako „odpad“ jen čistá voda a teplo.
Stacionární palivové články již najdeme například v chemických továrnách. Jednotlivé palivové články mívají velikost podobnou krabici od banánů. Skládají se do větších celků společně s nezbytnou infrastrukturou, a vznikají tak jednotky na klíč instalované v nákladním kontejneru.
„Typickým příkladem je průmyslová výroba chlóru a hydroxidu sodného, při které vzniká značné množství vodíku jako vedlejší produkt a často se dnes spaluje. To je však nehospodárné a postupně končí. Narůstá význam palivových článků, které umožní pomocí tohoto vodíku efektivně vyrobit elektrickou energii,“ říká profesor Karel Bouzek, který se palivovými články a vodíkovými technologiemi zabývá už čtvrtstoletí. Takové články se dají také využít pro společnou výrobu elektřiny a tepla pro výrobní závody i pro domácnosti.
Druhou existující variantou jsou mobilní palivové články obvykle v osobních a nákladních automobilech, v autobusech nebo vlacích. Zatímco osobní automobily a vlaky poháněné vodíkovými palivovými články se již komerčně vyrábějí, nákladní automobily se prozatím nacházejí spíše ve fázi demonstrační. Zvnějšku nejsou odlišitelné od klasických vozidel se spalovacími motory. Vozidlo veze tlakovou nádobu se stlačeným vodíkem jako palivem, kyslík si bere přímo ze vzduchu a v palivových článcích vyrábí elektřinu pro pohon motoru.
Řízení spektroskopického experimentu v synchrotronu BESSY II v Helmholzově centru v Berlíně. Experiment pro zkoumání složení materiálů se uskutečnil společně s vědci z Helmholzova centra a z Technické univerzity v Bayreuthu, které jsou je partnery projektu (Foto: TU Bayreuth)
200 stupňů už je vysoká teplota
Projekt, za který byl profesor Bouzek nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR, se týká vysokoteplotních palivových článků s protonově vodivou polymerní membránou. „Je to taková názvoslovná hříčka, protože vysoké teploty si elektrochemici obvykle představují někde nad 500 stupňů Celsia. Teploty v těchto palivových článcích však typicky dosahují 150 až 200 stupňů. Ale tradičně se jim říká vysokoteplotní, protože ty standardní, nízkoteplotní, pracují do teplot 80 stupňů,“ vysvětluje.
Dnes oceňovanou výhodou vysokoteplotních palivových článků je, že díky podstatně vyšší teplotě, než je teplota okolí, se výrazně snáze ochlazují, nebo přesněji, potřebují pro řízení teploty menší chladič. Navíc lze teplo z nich získané dále využít.
Výzkum profesora Bouzka se soustředil na lepší pochopení reakcí, které v takovém článku probíhají na aktivním povrchu elektrod. Výsledek tohoto základního poznání by pak měl vést k lepším provozním režimům, které umožní vyšší intenzitu výkonu palivových článků, jejich delší životnost i efektivnější využití v nich používaných katalyzátorů.
Po městě elektromobilem, do dálek s vodíkovým pohonem
K zajímavým výsledkům vedly i dřívější či jiné současně probíhající výzkumy profesora Bouzka a jeho spolupracovníků, což jsou i studenti, kteří se takto dostávají blíže k poznání moderních technologií. Výzkumníci se podíleli například na vývoji experimentálního nákladního automobilu Tatra Force poháněného vodíkovými palivovými články. S průmyslovými partnery z Česka i ze světa spolupracují na systémech výroby vodíku za využití obnovitelné energie, případně na vývoji palivových článků. Příkladem dalšího typu výzkumu je účast na vypracování analýzy využití vlaků poháněných palivovými články pro regionální železnice.
„Palivové články určitě nabídnou zajímavé alternativní řešení v situací, kdy se potřebujeme zbavit závislosti na fosilních palivech,“ hodnotí Karel Bouzek.
Například v automobilové dopravě se vede diskuse, jestli mají současné spalovací motory ustoupit elektromobilům, nebo raději vozidlům na vodík. „Vypadá to tak, že pro běžnou každodenní dopravu osobními nebo zásobovacími vozy po městě nebo v malém regionu se budou více hodit elektromobily, které se v noci nabijí a pak na baterie následující den jezdí. Zato pro pravidelné cesty na velké vzdálenosti a zejména pro nákladní automobily bude zřejmě výhodnější, pokud vozidlo nepoveze těžké baterie, ale nádrž s vodíkem a palivové články. Dojezdová vzdálenost bude výrazně větší a zároveň se vodík dá načerpat výrazně rychleji, než trvá běžné nabití baterií,“ konstatuje profesor Bouzek.
Stacionární palivové články se zase nabízejí jako důležitá součást systému pro skladování energie. Elektřina vyrobená slunečními, větrnými a také jadernými a ve vzdálenější budoucnosti i fúzními elektrárnami v době, kdy jí není tolik zapotřebí, se dá využít k výrobě ekologického vodíku elektrolytickým rozkladem vody. V době vyšší poptávky se tento vodík v palivovém článku opět promění v požadovanou elektřinu.
Významnou roli mohou hrát palivové články rovněž v dálkové přepravě energie, například mezi kontinenty. Elektrické vedení má na dlouhé vzdálenosti velké ztráty. A tak se nabízí myšlenka, že v místech, kde se dá postavit hodně slunečních nebo větrných elektráren, by se získaná elektřina využila pro výrobu vodíku. Ten by se pak přepravil potrubím nebo nákladními loděmi a na místě určení se v palivových článcích znovu proměnil v elektřinu. Případně by se dal vyrobený vodík hned sloučit se vzdušným dusíkem za vzniku čpavku, který se přepravuje snáze, a z něj by se na místě určení opět vodík uvolnil a použil v palivových článcích.
„Možností dalšího rozvoje energetiky je hodně, potřebujeme však najít technologicky a také ekonomicky nejvhodnější způsoby,“ shrnuje profesor Bouzek. „Osobně mě občas mrzí, že v českém prostředí se často potkávám s lidmi, u nichž se projevuje nejen silný konzervatismus, ale zejména despekt k novým technologiím. To je hodně nešťastné. Energetika a vlastně i průmysl se budou měnit a již ze střednědobého hlediska nezbývá než postupně opouštět fosilní paliva. Na to se musíme připravovat, abychom zajistili dlouhodobé fungování průmyslu, budoucí pracovní místa a tím také sociální smír ve společnosti.“
Uspořádání experimentu pro měření rentgenové spektroskopie na synchrotronu DESY v Hamburku (Foto: TU Bayreuth)
Název projektu, za jehož řešení byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR v roce 2023: Elektrochemie rozhraní platina – oxokyseliny fosforu jako klíč k pochopení výkonnosti vysokoteplotních palivových článků s protonově vodivou membránou.
prof. Dr. Ing. Karel Bouzek (foto: VŠCHT Praha)
Narodil se v roce 1968. Po absolvování Vysoké školy chemicko-technologické v Praze absolvoval několik zahraničních studijních pobytů, zejména v Německu a Norsku.
Po návratu se zapojil do pedagogické i výzkumné činnosti. Nyní je vedoucím Ústavu anorganické technologie Vysoké školy chemicko-technologické a proděkanem tamní Fakulty chemické technologie. Zabývá se zejména technickou elektrochemií a elektrochemickým inženýrstvím se zaměřením na oblasti vodíkových technologií (palivové články a elektrolýza vody) a zpracování vody, včetně matematického modelování. Je členem řady mezinárodních odborných organizací a za svou odbornou činnost byl oceněn například oceněním Carl Wagner Medal of Excellence, které uděluje Evropská federace chemických inženýrů nebo Cenou ministra školství, mládeže a tělovýchovy ČR za vědecké aktivity v oblasti nízkoteplotních palivových článků.
