Vodík jako alternativní ekologické palivo palivové články a vodíkové hospodářství
Charakteristika vodíku zvodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru zna Zemi je třetím nejrozšířenějším prvkem po kyslíku a křemíku zvodíkový atom má velkou ionizační energii (1311 kJ/mol)
Charakteristika vodíku ATOMOVÉ VLASTNOSTI
vodík (H2)
Relativní atomová hmotnost
1,00794(7)
2,014102
3,016049
jaderné spinové kvantové číslo
0,5
1
0,5
magnetický moment jádra
2,79270
0,85738
2,9788
NMR – frekvence (při 2,35 tesla) / Mhz
100,56
15,360
104,68
1,000
0,00964
1,21
0
2,766×10-3
0
stabilní
stabilní
βt1/2=12,35 let
NMR – relativní citlivost (konstantní pole) jaderný kvadrupólový moment / (10-28 m2) radioaktivní stabilita
deuterium (D2)
tritium (T2)
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI
vodík (H2)
deuterium (D2)
tritium (T2)
Teplota tání [K]
13,957
18,73
20,62
Teplota varu [K]
20,39
23,67
25,04
Teplo tání [kJ/mol]
0,117
0,197
0,250
Výparné teplo [kJ/mol]
0,904
1,226
1,393
Kritická teplota [K]
33,19
38,35
40,6
Kritický tlak [Mpa]
1,315
1,665
1,834
435,88
443,35
446,9
25,9
18,5
15,1
74,14
74,14
74,14
Disociační teplo [kJ/mol] (při 298,2 K) Energie nulového bodu [kJ/mol] Mezijaderná vzdálenost [pm]
Příprava a výroba vodíku znejvíce se využívá metody zplyňování uhlí – touto metodou se vyrobí 90% produkce zdalší perspektivní metody jsou: - elektrolýza vody - termické štěpení vody - zplyňování biomasy (především odpadní)
Příprava a výroba vodíku z výrobu lze realizovat reakcí vody nebo zředěných kyselin s elektropozitivními kovy – reakce může být explozivní z vhodným zdrojem vodíku je elektrolýza okyselené vody s použitím platinových elektrod z pro výrobu malého množství plynu se využívá tzv. vodíkový generátor – zpracovává se směs metanolu a vody při teplotě 400°C (metanol krakuje na vodík a oxid uhelnatý; vodní pára reaguje s oxidem uhelnatým a vzniká oxid uhličitý a vodík)
Doprava a skladování vodíku zvýroba vodíku je vázána na tyto zdroje energie: - tepelné (jaderné) - elektrické (vodní) - solární zpři nerovnoměrném rozmístění zdrojů je uvažováno s dálkovým transportem – zkapalněný vodík
Doprava a skladování vodíku Další možnosti transportu vodíku: zpotrubní rozvod plynného vodíku - vysokotlaký - středotlaký - nízkotlaký plynovod
Vodík a bezpečnost zsměs vodíku se vzduchem je výbušná zvyužívají se detektory hořlavých plynů – zaznamenávají již 10% dolní mez výbušnosti směsi zpřísná bezpečnostní opatření při výrobě, skladování a distribuci
Vodíková energetika z v současné době konkurují vodíku tyto zdroje energie: - metanol - biopaliva z obnovitelných zdrojů z konkurence těchto paliv je přechodná z předpokládá se využití vodíku v mnoha energetických oblastech: - letectví - automobilový průmysl - výroba elektrické energie
Přeměna vodíku na elektrickou energii Součásti katalytické reakce: • • • •
vodík kyslíková elektroda vodíková elektroda polymerová membrána
zvodík je vázán v hydridu železa metalhydridu
Palivové články – princip činnosti z elektrochemický zdroj stejnosměrného proudu z pracuje na obráceném principu elektrolýzy vody: • vodík je přiváděn k anodě (dochází ke katalytické přeměně – oxidace – na proton a elektron) 2 H 2 Æ 4 H + + 4 e• proton přechází ke katodě • na katodě reaguje proton s kyslíkem a elektronem za vzniku vody O2 + 2 H2O + 4 e–Æ 4 OHH+ + OH- Æ H2O • na obou elektrodách vzniká rozdíl napětí asi 1V • palivový článek obsahuje několik cel v sériovém zapojení
Palivové články – princip činnosti
Palivové články - rozdělení Typ článků
Pracovní teplota [°C]
Elektrolyt
rozdělení podle pracovních teplot
Nízkoteplotní články alkalické
80 – 120
roztok hydroxid
membránové
80 – 120
polymerická membrána
Vysokoteplotní články fosforečné
160 – 220
kyselina fosforečná
uhličitanové
600 – 800
roztavené uhličitany
keramické
650 – 1000
pevné oxidy
rozdělení podle použitého elektrolytu
Označení
Typ
Elektrolyt
Účinnost
AFC
alkalické
roztok hydroxidu
PEMFC
polymerické
polymerická membrána
PAFC
s kyselinou fosforečnou
kyselina fosforečná
η el = 40 %
MCFC
karbonátové
roztavené uhličitany
η el = 60 %
SOFC
s tuhým elektrolytem
pevné oxidy
η el = 40 %
Palivové články – alkalické zpoprvé byly využity jako energetické zdroje v kosmických lodích Apollo zmají nejrychlejší kinetiku katodové kyslíkové reakce zmají vysokou účinnost a energetickou kapacitu zmohou využívat jen čistý vodík zdodávaný kyslík musí být zbaven kysličníku uhličitého
Palivové články – kyselé (kyselinové) zjsou vyráběny v širokém výkonovém pásmu (1 kW až 5 MW) zkapalný elektrolyt má korozívní účinky zpomalá kinetika katodové reakce zpoužití hlavně ve formě statických generátorů elektrické a tepelné energie
Palivové články – články s tavenými karbonáty znepotřebují pro reakce při vysokých teplotách katalyzátory elektrodových reakcí zmohou používat reformovaná paliva zdosahují malé účinnosti a energetické kapacity zstatické zdroje elektrické a tepelné energie (10 kW až 10 MW)
Palivové články – membránové (keramické) z jejich vývoj začal nejpozději z mají pevný nekorozívní elektrolyt – iontovýměnnou membránu z jednoduchá konstrukce z nejrychlejší kinetika anodové oxidace vodíku z vysoká účinnost z vysoká energetická kapacita z nejsou citlivé na kysličník uhličitý Ö reformovaná paliva z minimální nároky na údržbu z vhodné pro pohony dopravních prostředků
Palivové články – membránové (keramické) zexistují tzv. regenerativní membránové palivové články zpři dodávce paliva vyrábějí elektrickou energii nebo při dodávce energie mohou vyrábět vodíka kyslík elektrolýzou vody zvyužívá se např. energie solární a větrná zmožnost realizace tzv. hybridních článků znevýhodou je cena těchto článků
Využití palivových článků zv současnosti hlavně jako zdroj energie při kosmických letech zv poslední době se objevují realizace statických zdrojů zsoučasný instalovaný výkon přesahuje 50MW zautomobilový průmysl zkombinovaná výroba tepelné a elektrické energie
Výhody využití palivových článků z neprodukují žádné látky zatěžující životní prostředí z obnovitelný zdroj z vysoká účinnost z je možné je přetížit bez nebezpečí havárie z rychlý náběh na plný výkon z výhodné je využití článků od výkonu 50 kW až několik MW z nevyžadují složitou údržbu a obsluhu
Nevýhody využití palivových článků zvysoké investiční náklady, až 5000 USD/kW zvysoká cena vstupního paliva znízké stejnosměrné napětí cca 0,7 V na článek
