Jste zde

Mikropalivové články – jejich funkce, principy a novinky

Antonín Vojáček, 28. Březen 2009 - 22:04

Mikropalivové články mají být v budoucnu ve spotřebičích používány minimálně stejně často, jako dnešní baterie a akumulátory. Vývoj a již aktuální výrobky tomu plně nasvědčují, když firma MTI Micro letos představila svůj inovovaný integrovaný mikropalivový článek Mobion "spalující" čistý metanol v podobě jedné součástky o velikosti jen 33,5 x 33,5 x 8 mm!! V článku najdete i obecný úvod do funkce palivového článku a bližší popis DMFC článku.

Před několika dny jste možná na serveru automatizace.hw.cz v pravém sloupci Bleskovek zaznamenali zprávu o nových mikropalivových článcích Mobion společnosti MTI Micro, které jsou vhodné jako „náhradní zdroj“ elektrické energie pro většinu současné spotřební elektroniky. A protože tohle téma zde ještě nebylo a na stránkách MTI jsem nalezl velmi pěkný popis funkce a principu, rozhodl jsem se toto více přiblížit v klasickém článku. Navíc jsem připojil i úvodní přiblížení obecného principu, struktury a funkce palivových článků a jejich rozdílech a výhodách / nevýhodách, například proti klasickým bateriím (primárním článkům).

Obecný princip palivového a mikropalivového článku

Mikropalivový článek, který pracuje na stejném principu jako palivový článek, lze pro úplné laiky přiblížit jako přenosný nezávislý chemický zdroj elektrické energie pro napájení různých spotřebičů nebo nabíjení jejich akumulátorů. Jde tedy o primární zdroj, který elektřinu generuje bez potřeby jejího předchozího dodání. Patří tedy do skupiny galvanických článků - zdrojů generující elektrickou energii prostřednictvím chemické reakce několika látek, při nichž vznikají volné nabité částice (elektrony) vytvářející elektrický proud. Patří tedy do té samé kategorie, do které patří i všeobecně známé baterie (přimární články). Proti nim však pracují na trošku odlišném principu, který také určuje jejich rozdílné chování i možnost použití.

Zatímco u baterií dochází k tzv. elektrolýze, což je uzavřená reakce elektrolytu a v něm ponořených elektrod vyvolané průchodem elektrického proudu, u palivových článků dochází k tzv. katalýze (katalické reakci), při které během průchodu elektrického proudu dochází ke spotřebovávání dodávaného („spalování“) paliva. Konkrétně se na katodu přiváděné oxidační činidlo (obvykle kyslík / vzduch) redukuje na anionty, které pak reagují s H+ ionty vzniklé oxidací přiváděného paliva na anodě, za vzniku vody. Princip výroby elektřiny tak spočívá v dodávání paliva k anodě (do anodového prostoru) a okysličovadla ke katodě (do katodového prostoru), které jsou neprodyšně odděleny a mezi kterými se nachází elektrolyt nebo membrána.

Z výše uvedeného je na první pohled patrné, že zatímco elektrochemická reakce v primárním článku je prakticky nevratný proces při němž mj. dochází k chemické změně / spotřebě použitých prvků, hlavně samotných elektrod (pevná složky systému), které nelze snadno doplňovat, u palivového článku elektrody zůstávají nepoškozeny (jsou inertní) a spotřebovává se plynné nebo kapalné palivo, resp. okysličovadlo, které však lze snadno průběžně dodávat (doplňovat). U palivových článků tedy jde o „průtočný systém“, kdy se spotřebovávané kapalné nebo plynné reakční látky přivádějí a odpady neustále odvádějí a samotný reakční proces prostě může probíhat „donekonečna“ (dokud se přivádí reakční látka – palivo). Tedy podobně jako například benzín, vzduch a spaliny u klasického spalovacího motoru. Z toho je však také patrné, že palivové články lze využít pouze tam, kde je přítomnost vzduchu (kyslíku), zatímco baterie kdekoliv (např. pod vodou nebo ve vakuu).

Podrobný popis vodíkového palivového článku, který je obecně považován za základ, i když bývá hlavně využíván pro velké výkony (např. dopravní prostředky),
nikoliv pro mikropalivové články.


 

Obecně se za základní typ považuje vodíko-kyslíkový palivový článek, protože dává nejvyšší napětí. Jeho podstatou je slučování vodíku a kyslíku za přítomnosti katalyzátoru (např. hydroxid draselný) za vzniku elektrické a tepelné energie, kde odpadem je čistá vodní pára. Palivo (zde vodík H2) se přivádí na kladnou elektrodu (anodu), kde oxiduje a ztrácí elektron. Okysličovadlo (zde kyslík O2) přichází na zápornou elektrodu (katodu) a podléhá tam redukci, tedy přijímá elektron. V elektrolytu mezi oběma elektrodami se vzniklé reakční produkty mísí a vzniká voda H2O. Místo vodíku, který je nebezpečný svou třaskavostí, můžeme použít i jiné palivo, např. metanol, oxid uhelnatý CO, uhlovodíky (propan, různé druhy nafty a benzínu, zemní plyn), svítiplyn, bioplyn, plyn uvolňující se ze skládek.

Palivových článků tak existuje celá řada a většinou jsou děleny podle používaného elektrolytu a podle pracovní teploty. V zásadě rozlišuje palivové články:

  • nízkoteplotní (alkalické - elektrolytem je KOH, membránové a přímé metanolové)
  • středoteplotní (kyselé – elektrolytem je kys. fosforečná)
  • vysokoteplotní (s tavenými karbonáty, s pevnými oxidy)

 

Výkonový rozsah palivových článků je od desítek wattů v přenosných aplikacích (vysílačky, v blízké budoucnosti notebooky, digitální fotoaparáty apod.), přes stacionární jednotky kilowattových výkonů určených jako lokální či špičkové a záskokové zdroje energie, až k jednotkám v řádech jednotek megawatt čistě energetického charakteru. Samostatnou kapitolou jsou palivové články vyvíjené pro automobilový průmysl.

 

Příklad funkce alkoholového (etanolového DEFC) palivového článku

Funkce mikropalivových článků spalující metanol

Moderní mikropalivové články, včetně Mobion společnosti MTI, využívají technologie přímého spalování metanolu nízké koncentrace (jednotek %) za přítomnosti kyslíku označované zkratkou DMFC (Direct Metanol Fuel Cell). DMFC je zvláštním případem nízkoteplotního palivového článku s tuhým polymerním elektrolytem, ve kterém dochází k přímé elektrochemické oxidaci metanolu. Metanol je vcelku běžný alkohol (snadno dostupný), který má výhodu ve velké hustotě energie. To znamená, že z jeho relativně malého množství lze vyrobit hodně elektřiny.

Jádro mikropalivového článku DMFC obsahuje centrální membránu potaženou na každé straně vrstvou katalyzátoru, jeden pro reakci paliva (anoda - kombinace platiny a dalšího kovu Re, Ru, Os nebo Rh) a druhý pro reakci kyslíku ze vzduchu (katoda - platina). Elekrická energie je generována, když se na katalyzátor anody dostane palivo, které reaguje s vodou a produkuje protony, elektrony a oxid uhličitý. Membrána umožňuje protonům projít na katalyzátor katody. Elektrony jsou však nuceny projít vodiči elektronických obvodů, čímž generují el. výkon. Na katodě protony a elektrony rekombinují a reagují s kyslíkem za vzniku vodní páry. Jde tak o přímý proces přeměny metanolu na elektrickou energii s oxidem uhličitým a vodní párou jako vedlejšími produkty.

Základní struktura DMFC palivového článku spalující metanol

Provedení / konstrukce mikropalivových článků Mobion

Konstrukce mikropalivových článků Mobion byla proti běžných konkurenčním provedením upravena tím způsobem, že není potřeba externí pumpování k reakci potřebné vody od katody k anodě. Ta je zde totiž převáděna interně uvnitř palivového článku ze strany, kde se generuje, na stranu přívodu vzduchu a to bez jakéhokoliv čerpadla, komplikovaných cirkulačních smyček nebo mikročerpacích prvků.

V praxi lze nejčastěji najít nasledující systémy mikropalivových článků využívající metanol:

  • Aktivní systém s přímou přeměnou paliva DMFC
  • Pasivní systém s přímou přeměnou paliva DMFC
  • Mobion Technologie MTI Micro

 

Aktivní systém s přímou přeměnou paliva DMFC (Direct metanol Fuel Cell)

Zde typicky koncentrace paliva na anodě je řízena na nízké úrovni metanolu (2%) a je nutná voda na straně anody, aby proběhla reakce a poté je voda gravitačně sbírána ze strany katody a externě pumpována zpět na anodu. Výsledkem je systém, který využívá mikročerpadla (pumpy) a mikrotrubičky, ktéré zvyšují rozměy celého mikrosystému a tím i komplexnost i cenu a velikost celého zařízení mikropalivového článku.

Bloková struktura funkce aktivního DMFC mikropalivového článku

Pasivní systém s DMFC (Direct metanol Fuel Cell)

Jiný systém palivových článků s přímou přeměnou malé koncentrace metanolu (DMFC) přenáší vodu potřebnou pro reakci na anodě společně s palivem ze stejného zásobníku. To umožňuje vypustit z konstrukce prostředky pro sběr a čerpání vody od katody k anodě, ale proti aktivní struktuře musí být použit buď výrazně větší zásobník nebo se do něj vejde pouze zlomek objemu metanolu aktivního článku. Ať tak nebo tak, je prostě v tomto systému výrazně limitována hustota energie, protože složka vody, která zabírá místo palivu, žádnou energii nenese. Systém mikropalivového článku je tak sice výrazně jednodušší než v prvním případě, ale nízká hustota energie, kterou poskytuje, není dostatečná pro dnešní přenosná zařízení. Mikropalivový článek této konstrukce tak prakticky uživatelsky nepředstavuje významnou výhodu proti dnes rozšířeným Lithium-Ion bateriím.

Bloková struktura funkce pasivního DMFC mikropalivového článku

MTI Micro Mobion® Technology

Naopak technologie a systém Mobion společnosti MTI Micro, i když je založen na pasivní verzi DMFC, pracuje pouze s čistým (100%) metanolem jako jedinou externě dodávanou složkou (tedy mimo samovolně přístupujícího vzduchu), který se přímo přivádí na anodu DMFC palivového článku. I přesto nepotřebuje systém mikropumpy a speciální rozvod vody. Přesněji řečeno, vodu samozřejmě k reakci na anodě potřebuje, ale podobně jako aktivní systém využívá vodu vznikající na katodové straně, kam přistupuje vzduch, pouze k jejímu přenosu k anodě se nevyužívají čerpadla ani jiné mikropumpy. Bohužel detailní popis konstrukce, jak je to provedeno a jak je to možné, je zatím utajen z důvodu obavy z nezákonného kopírování patentovaného principu, zvláště různými asijskými výrobci. Pouze se ví, že se místo mikropumpy využívá přenos vody pomocí difuze přes membránu. MeOH se přivádí mikropumpou a mikroventilem v dávkách 1 cm3.

Bloková struktura funkce speciálního pasivního DMFC mikropalivovéjo článku Mobion

MTI mikropalivový článek = Mobion chip

Mikropalivový článek společnosti MTI Micro je v provedení vše (celý systém) integrováno v jedné součástce, v tzv. Mobion čipu. Tím jsou rozměry mikropalivového článku opravdu miniaturní, konkrétně 9 cm3. Přesto však dosahuje výkonové hustoty cca 62 mW/cm2 a práce 1,4 Wh na 1 cm3 paliva. To je výborná zpráva pro OEM zákazníky, tedy pro různé výrobce kapesní a přenosné spotřební elektroniky i měřících přístrojů. Navíc se výborně hodí i jako zálohovací zdroj, protože bez jakéhokoliv úbytku kapacity v metanolu uložené energie je zdroj připraven k okamžitému použití po mnoho a mnoho let.

Základní vlastnosti Mobion čipu:

  • Celý palivový článek integrovaný v jednom čipu (součástce)
  • Použitá technologie: modifikovaná pasivní DMFC
  • Palivo: 100% metanol
  • Membrána: perfluorinated sulfonate acid na každé straně platina pokrytá porézním porous carbon-based material
  • Generované napětí: 0,9 VDC (články lze zapojovat do série)
  • Výkonová hustota: 62 mW / cm2
  • Měrná energie: přes 1,4 Wh na 1 cm3 paliva
  • Rozměry: 33,5 x 33,5 x 8 mm (objem 9 cm3)
  • Hmotnost: cca 30 g
  • Provozní teplota: 0 až 40°C
  • Provozní vlhkost: libovolná

Také již společnost MTI navázala spolupráci s mnoha renomovanými výrobci spotřební elektroniky, jakým je třeba Toshiba a společně vyvinuli prototyp příručního navigačního systému GPS s velkým barevným TFT displejem kompletně napájeného jen integrovaným mikropalivovým článkem Mobion, na který je provozní doba přes 60 hodin.

  

USB napáječ a nabíječka s mikropalivovým článkem Mobion

Samotný výrobce MTI Micro připravil prototyp mobilníhi USB napáječe / nabíječky pro všechna běžná bateriová zařízení se schopností napájení nebo dobíjení po USB portu. Nabíječka bude schopna na jednu náplň dodat až 25 Wh el. energie, což je cca 5x více než třeba Lithion-Ion bateriový pack stejných rozměrů. Tato energie by měla stačit na cca 10x dobití běžného mobilního telefonu, přehrání až 10 000 mp3 písniček, přehrání cca 100 hod. videa nebo pořízení 6 000 fotografií. Navíc pro dalších 25 Wh stačí jen doplnit nebo vyměnit vyjmutelný zásobník a není nutný být v dosahuje elektrické přípojky, kterou by jste hledali s Lithiovým akumulátorem pro jeho dobití. Zahájení prodeje nabíječky výrobce plánuje na konec tohoto roku (2009). Zároveň si tím výrobce slibuje propagaci a globální rozšíření mikropalivových článků, následně i přímo do konstrukcí zařízení a přístrojů.

Základní provozní parametry mikropalivé nabíječky Mobion:

  • Konstrukce založená na Mobion čipu
  • Generované napětí: 5 VDC na USB portu
  • Kapacita energie: 25 Wh = dodává 25 hodin výkon 1 W na jeden zásobník s metanolem
  • Objem jednoho zásobníku: 25 cm3
  • Výkonová hustota: 62 mW/cm2
  • Měrná energie: přes 1800 Wh/kg paliva
  • Provozní teplota: 0 až 40°C
  • Indikace funkce LED diodou
  • Předpokládané zahájení prodeje: konec roku 2009
  • Bližší informace nejsou zatím k dispozici

Porovnání mikropalivového článku (napáječe) Mobion vs. Bateriový pack

Výhody:

  • Absolutně na elektrické energii nezávislý zdroj (nenabíjí se)
  • Větší kapacita = delší provoz
  • Mnohonásobně větší měrná energie
  • Široký provozní teplotní rozsah
  • Dlouhodobá skladovatelnost bez snížení kapacity
  • Délka provozu daná jen výměnou zásobníku s metanolem

Nevýhody:

  • Nutnost dodávat palivo – metanol
  • Menší mechanická odolnost proti baterii

Závěr

Palivový článek je určitě zdrojem budoucnosti, protože metanol i vodík lze vcelku snadno vyrábět. Z pohledu odpadních složek je vodní pára ekologicky přijatelná, ale s CO2 již to je horší. Ten se již počítá mezi dost významné skleníkové plyny. Takže i když na mnoha stránkách a v mnoha magazínech je palivový článek uváděn jako ekologický zdroj elektřiny, osobně bych to tak neviděl. I když samozřejmě vzniklé koncentrace jsou jen velmi malé a v případě masivního nasazení v dopravních prostředcích by byly ekologičtější než současné spalovací motory.

Mikropalivové články pak představují pěknou alternativu ke klasickým bateriím a akumulátorům, které buď mají jen omezené použití (primární články) nebo je nutné mít jednou za čas přístup opět k elektrické energii pro zpětné nabití akumulátoru. V případě mikropaliového článku stačí mít jen zásobu metanolu a jsme po stránce elektřiny již zajištěni. Navíc velkou výhodou je možnost dlouhodobé skladovatelnosti bez zdráty energie, kde na rozdíl od samovybíjení baterií, metanol, jako nositel energie, ze zásobníku nijak neuniká.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

kotlaba - 30. Březen 2009 - 6:38

Tak zhruba před rokem proběhla zpráva, že pro napájení notebooků se místo baterek uvažuje o použití miniaturních plynových turbogenerátorků. Pak už jsem o tom neslyšel. Byla to kachna?