Typy palivových článků a jejich použití

Palivový článek je elektrochemický zdroj proudu, kde energie je získávána elektrochemickou oxidací paliva na záporné elektrodě (anodě) a redukcí kyslíku na kladné elektrodě (katodě). V současnosti se nejvíce nadějí vkládá do kyslíko-vodíkového palivového článku v rámci vodíkového pohonu automobilů. Vodík může být vyroben např. pomocí elektrolýzy vody a kyslík je obsažen v atmosféře. Skladování vodíku v automobilových nádržích je zatím problematické. Navíc účinnost celého cyklu (elektřina->vodík->elektřina dosahuje jen asi 30-40%.

Elektrický proud vzniká tak, že elektrony jsou uvolňovány na anodě a putují ke katodě. Jedná se vlastně o galvanický článek s tím rozdílem, že aktivní hmoty se do palivového článku kontinuálně přivádějí a elektrická energie se kontinuálně odvádí, zatímco v galvanickém článku jsou aktivní hmoty jednorázově pevně zabudovány a po spotřebování končí galvanický článek svoji činnost a nelze jej regenerovat.

Princip palivového článku byl objeven už v roce 1838 Christianem Friedrichem Schönbeinem. Poprvé byl zkoušen anglickým badatelem Williamem R. Grovem v roce 1839. Rozvoj v této oblasti nastal až kolem poloviny 20. století v důsledku snah najít alternativní zdroje pro vesmírné lety Gemini a Apollo. Nicméně, i tyto snahy byly zpočátku neúspěšné. Až roku 1959 předvedl Francis T. Bacon první plně fungující palivový článek. Palivové články s polymerním elektrolytem (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprvé použity společností NASA v roce 1960 jako součást vesmírného programu Gemini. Tyto palivové články používaly jako reakční plyny čistý kyslík a čistý vodík.

Palivové články rozdělujeme na tyto druhy:

1. Alkalické palivové články (AFC)
2. Palivové články s polymerním elektrolytem (PEMFC)
3. Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)
4. Palivové články s roztavenými karbonáty (MCFC)
5. Palivové články s tuhými oxidy (SOFC)
6. Přímomethanolové palivové články (DMFC)

1. Alkalické palivové články (AFC) pracují při  teplotě 100°C a používají elektrolyt ve formě roztoku KOH. Jsou velice citlivé na čistotu vodíku i kyslíku, což jejich provoz zdražuje natolik, že se používají jen tam, kde je k dispozici elektrolyticky získaný vodík a kde nerozhodují náklady na jeho získávání. (vojsko, vesmírná a podmořská zařízení)
2. PEMFC-články obsahují místo tekutého elektrolytu polymerní membránu dovolující průchod jen protonům vodíku. Pracují při teplotě nižší než články AFC a sice 60 až 80°C.V současné době jsou středem pozornosti výrobců automobilů, neboť vzhledem k hustotě výkonu větší jak 0,3 Watu na cm2 nalézají uplatnění především při konstrukci E.V.(Electro-Vehicles), tedy elektromobilů. Jsou citlivé na čistotu dodávaného vodíku, velké množství nečistot nepříjemně snižuje účinnost článku. Do kategorie této skupiny palivových článků patří zatím nejúspěšnější varianty pro pohon E.V., např. NECAR-4 fy DAIMLER CHRYSLER používající kapalný vodík v kryoskopické nádrži od kanadské společnosti Ballard.
3. Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) pracují při vysoké teplotě 160 až 220°C a využívají jako paliva metan a vzdušný kyslík, přičemž metan se musí před použitím zpracovávat na procesní plyn s obsahem cca 80% vodíku. Elektrická účinnost je nižší, dosahuje asi 42% Tento typ článků je možné využít pro budování blokových kogeneračních elektáren, kde se účelně využívá i odpadního provozního tepla. V Japonsku je v provozu bloková kogenerační elektrárna s výkonem 11 MW.
4. Palivové články s roztavenými karbonáty (MCFC) pracují při velmi vysoké provozní teplotě 650°C, přičemž odpadá předúprava zemního plynu. Solné taveniny ve funkci elektrolytu jsou však značně agresivní a vyžadují  konstrukční materiály s vysokou antikorozní schopností. Tento typ článku pracuje s vysokou účinností (až 60%). Opět se využívají jako kogenerační jednotky s vysokým výkonem od 250kW až 2 MW.
5. Palivové články s tuhým elektrolytem keramické povahy označované jako SOFC mají nejvyšší provozní teplotu (ta dosahuje až 1000°C). Elektrická účinnost dosahuje 75%. Tento typ článku je zatím nejmladším typem  palivových článků a je určený nejen pro  kogenerační jednotky elektráren, ale i pro krytí spotřeby tepla a elektřiny malých objektů nebo i domácností.
6. Přímometanolové palivové články (DMFC) využívají paliva ve formě metanolu přímo. Na anodě dochází k oxidaci přes několik reakčních mezistupňů, které výrazně zpomalují reakční rychlost s porovnáním s vodíkem. K anodě se přivádí vodný roztok metanolu, od molekuly metanolu se odtrhávají volné elektrony, vznikají vodíkové kladné ionty a uvolňuje se volný  CO2.