Palivový článek je buňka , ve které generace z elektrického napětí se uskutečňuje na základě oxidace na jednu elektrodu jednoho redukčního paliva (například dihydrogen ) spojen s redukcí na druhé elektrodě oxidačního činidla, jako je kyslík v vzduch .
Palivový článek efekt byl objeven německým křesťanským Schönbein v roce 1839 . První laboratorní model palivových článků vyrobil William R. Grove v příštích třech letech. V roce 1889 dali Ludwig Mond a Carl Langer palivovému článku název a současnou podobu. Francis T. Bacon obnovil studium palivových článků v roce 1932 a vyrobil první prototyp 1 kW v roce 1953, poté 5 kW v roce 1959. Tento prototyp bude sloužit jako model pro budoucí palivové články používané během vesmírných misí Apollo .
Velmi dlouhý časový odstup (více než jedno století), který uplynul mezi realizací prvního modelu palivového článku a prvním použitím, je vysvětlen velmi silným vývojem, který zažívají jiné typy generátorů palivových článků . Elektrická energie a skutečnost, že náklady na materiály použité v palivových článcích jsou stále vysoké.
Palivový článek je generátor , ve kterém je výroba elektrické energie se provádí pomocí oxidace na jedné elektrodě jednoho redukčního paliva (například dihydrogen ) spojený s redukcí na druhé elektrodě oxidačního činidla, jako je například kyslíku ve vzduchu. Vodíku Oxidační reakce se urychluje pomocí katalyzátoru , který je obecně platina . Pokud jsou možné jiné kombinace, nejčastěji studovaným a používaným akumulátorem je vodíkový palivový článek - dioxygen nebo vodík - vzduch (vysvětluje to zejména množství vodíkových zdrojů na Zemi a snadná výroba vodíku).
Od roku 1977 obsahují některé baterie (používané na satelitech) vodivé polymerní membrány (pevný kyselý nebo alkalický elektrolyt) ve formě tenké membrány oddělující obě elektrody. Tyto polymery obsahují platinu . Jelikož se jedná o vzácný, znečišťující a drahý kov, hledáme alternativy; testování, například v Číně, polymer ( polysulfon nebo polysulfon s kvartérním amoniem ) s katodou (strana kyslíku) ve stříbře a anodou (strana vodíku) v niklu pokoveném chromem .
V roce 2010 navrhli američtí a němečtí vědci integrovat další katalyzátor, levnější a který by mohl snížit množství platiny na polovinu v palivových článcích Nature Chemistry ; jedná se o nanosféry postavené z atomů platiny a mědi , ze kterých se potom částečně extrahují částice mědi, takže zanechávají jakýsi nanoskořepinu platiny tlustou několik atomů. Způsob výroby těchto nanosfér je takový, že snižuje jejich schopnost vázat kyslík, což podporuje tvorbu vody tím, že zvyšuje produktivitu buňky. Podle tohoto týmu by to mohlo snížit cenu palivových článků o 80%. Tento proces by mohl být použit na jiné kovy k výrobě jiných typů katalyzátorů, které mohou například umožnit výrobu vodíku a kyslíku z vody jako chemické skladování elektrické energie produkované větrnými turbínami nebo turbínami, solárními panely, než ji vrátí ve formě elektřiny.
V roce 2012 izraelská společnost CellEra uvedla, že navrhla membránový palivový článek, který nepoužívá platinu, za použití pevného polymerního elektrolytu, který vede hydroxidové (HO - ) ionty v alkalickém prostředí. Tato společnost podala deset patentů týkajících se této techniky.
Provoz z vodíku - dioxygen buňky je velmi čistá, protože produkuje pouze vodu a spotřebovává pouze plyny . Ale až do roku 2010 byla výroba těchto baterií velmi nákladná, zejména kvůli značnému množství potřebné platiny a nákladům na výměnu iontů membrán .
Součástí výzvy pro jeho použití jako nosiče energie je syntéza, skladování a dodávka vodíku. I když je vodík na Zemi hojný, je téměř vždy kombinován s kyslíkem (H 2 O, Tj. Vody), síra ( sirovodík , H 2 S), uhlík ( zemní plyn nebo ropa ) atd.
Celková účinnost, což je poměr množství elektřiny vyrobené vodíkovým palivovým článkem k množství elektřiny vynaložené při elektrolýze na syntézu vodíku, je poměrně nízká.
Sada generátor umožňuje dosažení účinnosti 25% a vodík palivový článek může dosáhnout 50 až 60% elektrické účinnosti, nebo více, pokud je třeba pro zpětné získávání tepla, ale kumulativní energetické výnosy syntézy dihydrogen a lisováním nebo zkapalňování jsou stále docela nízké. Vodík zde není primárním zdrojem energie; je to vektor energie .
Návratnost automobilu by byla 35%. Podle Agentury pro životní prostředí a energetiku je celková účinnost řetězce elektřina-vodík-elektřina přibližně 25%.
Princip palivového článku spočívá v obrácení elektrolýzy . Chemická reakce produkovaná oxidací a setkáním plynů produkuje elektřinu, vodu a teplo. Provoz palivového článku vyžaduje přísun paliva, nejpoužívanější je vodík. Článek v palivovém článku produkuje elektrické napětí asi 0,7 až 0,8 V v závislosti na zatížení ( proudová hustota ) a produkuje teplo. Jejich provozní teplota se pohybuje od 60 do 1050 ° C v závislosti na modelu. Voda je obvykle odváděna ve formě páry s přebytečným kyslíkem.
Existuje několik typů palivových článků, z nichž nejznámější jsou:
Palivový článek s výměnou protonů zahrnuje:
Vodík v diatomic formě (dihydrogen H 2) vstupuje přes bipolární desku vlevo na obrázku.
Dorazil na anodu a disociuje na ionty (H + ) a elektrony (e - ) podle rovnice 2 H 2= 4 H + + 4 e - . Iony poté procházejí membránou, ale blokované elektrony jsou nuceny přijmout vnější obvod, který bude generovat elektrický proud.
Na katodě se vodíkové ionty, elektrony a kyslík (čistý nebo ze vzduchu) setkávají a podle reakce tvoří vodu: 4 H + + 4 e - + O 2= 2 H20. Voda a kyslík procházejí pravou bipolární deskou. Tato reakce také produkuje teplo, které může být rekuperováno.
Buňka z pevného oxiduPrincip je podobný. Jediný rozdíl spočívá v tom, že membrána pro výměnu protonů je nahrazena jinou membránou nazývanou „membrána s pevným oxidem“. Molekuly v palivovém článku potom nebudou reagovat stejným způsobem:
Tento typ článku však není účinnější než článek s výměnou protonů, pracuje pouze při velmi vysoké teplotě (kolem 600 až 800 ° C ) a jeho výroba je pro články s nízkou spotřebou nákladnější. Proto jsou vyhrazeny pro konkrétní aplikace vyžadující vysoký výkon.
Existují dva typy metanolových palivových článků:
Na rozdíl od baterií používajících vodík mohou být „čisté“ pouze tehdy, pokud je původ tohoto methanolu sám o sobě obnovitelného původu, protože emitují CO 2.a dokonce i CO .
Typ | Elektrolyt | Ionty implementovány | Plyn / kapalina na anodě | Katodový plyn | Napájení | Provoz teploty |
Elektrická účinnost |
Splatnost | Pole |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
AFC - alkalické | Hydroxid draselný | HO - | vodík | kyslík | 10 až 100 kW | 60 až 90 ° C | Pouze baterie: 60-70% Systém: 62% |
Komercializováno / vývoj | Přenosný, transport |
DBFC - přímý hydrid boritý | Protonová membrána
Aniontová membrána |
H + HO - |
Tekutý NaBH 4 | kyslík | 250 mW / cm 2 | 20 až 80 ° C | 50% jedna buňka | Rozvoj | přenosný <20 W. |
PEMFC - membrána pro výměnu protonů | Polymerní membrány Nafion-PBI | H + | vodík | kyslík | 0,1 až 500 kW | 60 až 220 ° C | Baterie: 50-70% Systém: 30-50% |
Komercializováno / vývoj | přenosný, dopravní, stacionární |
DMFC - přímý methanol | Polymerní membrána | H + | methanolu | kyslík | mW až 100 kW | 90 až 120 ° C | Baterie: 20–30% | Komercializováno / vývoj | doprava, stacionární |
DEFC - přímý ethanol | 90 až 120 ° C | Rozvoj | |||||||
FAFC - kyselina mravenčí | 90 až 120 ° C | Rozvoj | |||||||
PAFC - kyselina fosforečná | Kyselina fosforečná | H + | vodík | kyslík | až 10 MW | asi 200 ° C | Baterie: 55% Systém: 40% |
Rozvoj | doprava, stacionární |
MCFC - roztavený uhličitan | Uhličitan alkalického kovu | CO 32− | vodík , metan , syntetický plyn | kyslík | až 100 MW | asi 650 ° C | Baterie: 55% Systém: 47% |
Vývoj / Marketing | stacionární |
PCFC - protonantová keramika | 700 ° C | Rozvoj | |||||||
SOFC - pevný oxid | Keramický | O 2− | vodík , metan , syntetický plyn | kyslík | až 100 MW | 800 až 1050 ° C | Baterie: 60–65% Systém: 55–60% |
Rozvoj | stacionární |
Hlavní oblasti použití jsou:
V roce 2017 byla na Světovém ekonomickém fóru v Davosu zřízena Rada pro vodík (in) , přední světový podnik v oblasti energetiky, dopravy a průmyslu za účelem rozvoje ekonomiky vodíkových a palivových článků.
Spojené státy se vyvíjí řadu projektů podporovaných vládou, někdy prezentována jako jeden z hlavních řešení proti globálnímu oteplování .
KanadaV Kanadě byla v roce založena Kanadský institut pro inovační palivové články (NRC-IIPC)Září 2006více než 6 500 m 2 , v Britské Kolumbii (UBC), v technologickém klastru regionu Vancouver, pilot v této oblasti. Jeho cílem je rozvoj průmyslu vodíkových a palivových článků v Kanadě. Jedná se o demonstraci a výzkumnou platformu, ve které sídlí také Vancouver Fuel Cell Vehicle Program, stejně jako British Columbia Hydrogen Highway Project, podporovaný specializovanými laboratořemi. Dodávka vodíku a integrované techniky palivových článků. Tato stránka má geotermální čerpadla a fotovoltaické prostředky pro výrobu vodíku.
EvropaV roce 2008 přijala Evropa rámec (evropské nařízení) pro vývoj vodíkových vozidel (jako paliva), podporuje však také výzkumné projekty týkající se vodíkových článků.
FrancieVe Francii , ADEME , EDF a CEA mít nainstalovaný "Fuel Cell" sítě (Paco) na25. června 1999vedená Catherine Ronge, ředitelkou výzkumu a vývoje společnosti Air Liquide a Rogerem Ballayem, zástupcem ředitele pro výzkum ve společnosti EDF, společně s ADEME a komisí pro atomovou energii ( CEA ). Posláním této sítě bylo urychlit výzkum palivových článků pomocí identifikace technologických překážek, vést vědeckou komunitu kolem odborného centra, které bude pravděpodobně podporovat a šířit pokroky ve výzkumu, rozvíjet partnerství. Veřejno-soukromý sektor a výhled do budoucnosti o vývoji těchto technik.
V roce 2005 byla francouzská síť PACo nahrazena programem PAN-H (Akční plán pro vodíkové a palivové články, 2005-2008) ANR ( Národní výzkumná agentura ), následovaným programem HPAC (Vodíkové a palivové články) v letech 2009 a 2010. Různé výzkumné osy programů Pan-H a HPAC byly umístěny - nebo přemístěny - v roce 2010 do programů PROGELEC (obnovitelná výroba a správa elektřiny) a TTD (udržitelná pozemní doprava) ANR.
Na severu Francie provedla nanotechnologická laboratoř Ústavu elektroniky, mikroelektroniky a nanotechnologie vKvěten 2009velmi malý palivový článek (5 × 3,6 mm ).
Na Martiniku byl slavnostně otevřen systém vodíkových palivových článků s názvem Cleargen5. prosince 2019u Société anonyme de la Raffinerie des Antil (SARA). Baterie, dodávaná společností Hydrogen de France (HDF), využívá proces reverzní elektrolýzy vody k výrobě elektřiny z vodíku a kyslíku; použije přebytečný vodík vyrobený v rafinérii k zásobování ostrovní elektrické sítě na vyžádání o výkonu jednoho megawattu, který může zásobovat zhruba 2 000 domácností.
JaponskoTeprve v roce 2007 byla pod záštitou Japonska zahájena reflexe o normách, pravidlech a výrobních a bezpečnostních normách, aby se usnadnilo široké používání palivových článků nebo vodíkových palivových článků.
O několik let dříve bylo z iniciativy předsedy vlády Koizumiho možné za pouhých 24 měsíců:
Japonsko tak doufá, že sníží své emise oxidu uhličitého spojené s malou elektronikou o 50% tím , že nabídne také baterie, jejichž autonomie by se znásobila třemi.
Použití vodíkových palivových článků v automobilu je založeno na několika schématech:
Prvním modelem je Sequel. Vodíkový palivový článek o výkonu 73 kW je napájen třemi spirálovými nádržemi z kompozitního vodíku o tlaku 700 bar (2005). Druhým je Chevy Volt: koncept představený vledna 2007na autosalonu v Detroitu (USA). Třetí model je Hydrogen 4 představený na6. března 200878 th International Motor Show v Ženevě (Švýcarsko). Palivový článek GM HydroGen4 se skládá ze 440 článků zapojených do série. Celý systém nabízí elektrický výkon až 93 kW, který napájí synchronní elektromotor o výkonu 73 kW nebo 100 k . Umožňuje systému HydroGen4 překonat nulu na 100 km / h za přibližně 12 sekund. HydroGen4 má skladovací systém skládající se ze tří vysokotlakých nádrží o tlaku 700 barů vyrobených z uhlíkových vláken, které mohou obsahovat 4,2 kg vodíku. To umožňuje dojezd až 320 km .
BmwPříklady vyrobených modelů: prototyp i8 z roku 2015 (baterie Toyota Mirai), prototyp i Hydrogen NEXT vyvinutý na základě modelu X5 a představený na autosalonu ve Frankfurtu 2019 . Ve své tiskové zprávě představující prototyp BMW oznamuje, že tento prototyp ve skutečnosti předznamenává malou sérii, která bude představena do roku 2022, takže poté, co nejdříve v roce 2025, budou podle potřeby nabízena další vozidla, trh a obecná situace.
Mercedes-BenzKoncept Ener-G-Force poháněný palivovým článkem poháněným střešními nádržemi na vodu byl představen na výstavě v Los Angeles v roce 2012. Byl vyroben NECAR a F-Cell: celá řada vozidel s různými druhy paliva (plynný vodík, methanol atd. ). K dnešnímu dni (2010) vyrobila Daimler největší počet vozidel využívajících palivové články (více než sto). V roce 2017 oznámila společnost Mercedes hromadnou výrobu vodíku F-Cell třídy B pro širokou veřejnost .
HummerHummer O2 je terénní auto pojetí.
Prototypy CityjouleJedná se o experimentální vůz z University of Nantes, jehož koeficient odporu C x byl v roce 2013 oznámen na 0,11.
GreenGTGreenGT H2 je prvním prototypem soutěže mezi elektrickým a vodíkovým motorem. Genesis GreenGT H2 začíná v roce 2009. Oficiálně je představen2. června 2012v rámci cvičného dne 24 hodin Le Mans . Poté se neotáčí a dostává černou a oranžovou livrej. The27. června 2015, je předmětem první dynamické veřejné prezentace na okruhu Paul-Ricard v rámci francouzského kola světového poháru cestovních vozů . Sportovní nový světle modrý a bílý livrej jej poté řídil Olivier Panis , bývalý jezdec Formule 1 a vítěz Velké ceny Monaka 1996 na Ligier-Mugen-Honda. Na pozvání společnosti Michelin předvedla druhou ukázku při zahájení prvního modelu Formula E Paris ePrix ,23.dubna 2016. The26. červnana konci dne, během 24 hodin Le Mans 2016, který stále řídí Olivier Panis, se stane prvním vozem poháněným elektricky-vodíkovým hnacím ústrojím, který dokončí kolo motorového okruhu v Sarthoisu. O dva dny později28. června, H2 a jeho pilot opakují svoji ukázku těsně před zahájením závodu. Výkon GreenGT H2 , který je vybaven dvěma elektromotory, je 2 × 200 kW při 1350 ot./min , neboli 544 k
Speed H2 se narodil na žádost italský výrobce Pininfarina , Speed H2 je prezentován na 86 th mezinárodní výstavy Ženevě dne1 st 03. 2016. Společně jej odhalili Jean-François Weber (spoluzakladatel, akcionář a ředitel výzkumu a vývoje GreenGT), Fabio Filippini (ředitel stylu Pininfarina), Silvio Angori (předseda a CEO Pininfarina) a Paolo Pininfarina (předseda Skupina Pininfarina). Při této příležitosti americký časopis Autoweek ve svém vydání21. března 2016, jí udělil cenu Best Concept Award , cenu, která každoročně odměňuje nejkrásnější koncepční vůz na výstavě tím, že jej označuje za „nejrychlejší vůz s nulovými emisemi všech dob“ . Jeho soupeři byli Sbarro Prom, Italdesign GTZERO a Morgan EV3. The30. března 2016, je H2 Speed představen na jeho žádost Albertovi II., monackému knížeti , který dbá na technologie udržitelného rozvoje. Na konci této prezentace je pilotní oblek v barvách GreenGT předán panovníkovi Monaka. Je vyšívané jeho jménem jako pozvánka přijít a vyzkoušet H2 Speed . 21 a22. května, poté se účastní soutěže elegance Villa d'Este v Cernobbio v Itálii od 8 do12. června 2016na autosalonu v Turíně . Speed H2 byl poté dvakrát představil Michelin, partner pneumatiky GreenGT u příležitosti mezinárodních motoristických akcí, poprvé ve Francii v průběhu 24 hodin v Le Mans v roce 2016, od 15 do19. červnaa druhý v Británii, na festivalu rychlosti v Goodwoodu o týden později.
SuzukiVe spolupráci s General Motors vyrobil prototyp vozu Mr Wagon FCW . Vodíkový palivový článek je poháněn vodíkem obsaženým v nádržích při tlaku 700 bar.
MichelinV roce byl představen prototyp automobilu Hy-light poháněného vodíkovým palivovým článkemBřezen 2005. Článek je poháněn vodíkem ze tří vysokotlakých válců z kompozitního materiálu,
Výrobce také postavil prototyp vozu Hy-light 2 poháněného palivovým článkem. Bylo představeno vzáří 2007. Ve srovnání s Hy-světla, 2 th generace má baterie a superkondenzátorů,
F-City H2 je prvním francouzským automobilem, který obdržel od francouzských úřadů silniční homologaci. Toto vozidlo je výsledkem spolupráce mezi společnostmi Michelin a FAM Automobiles (z níž se od té doby stala společnost France Craft Automobiles). Za tímto účelem společnost Michelin navrhla kompaktní, ale kompletní sadu vodíkových palivových článků, včetně vodíkové nádrže na 350 barů, která nahrazuje bateriový prostor elektrické verze F-City.
PSAVýrobce postavil demonstrátor TAXI PAC, palivový článek poháněný (vyměnitelným) stojanem tlakových vodíkových lahví, demonstrátor H2O, hasičský vůz s prodlužovačem rozsahu palivových článků s generováním vodíku in situ . S použitím tetrahydruroboritanu sodného , QUARK demonstrátor, čtyřkolka palivových článků zahrnující elektromotor na každém ze čtyř kol, demonstrátor 207 CC Epure obsahující palivový článek vyplývající z programu GENEPAC. PSA spolupracovala na projektu GENEPAC (2002-2006) s CEA pro 80 kW vodíkový palivový článek typu PEMFC ,
Renault - NissanV roce 2008 představil výrobce prototyp palivového článku Renault Scénic ZEV H2.
VenturiVenturi Buckeye Bullet 2 přestávky na FIA rychlostní rekord i pro elektrická vozidla poháněného palivovými články: 487 v km / h . Jedná se o první elektrické vozidlo překročit symbolický 300 mph (více než 480 km / h ) bariéry .
SymbioFCellHyKangoo je postaveno na základě modelu Kangoo ZE s vývojem v elektromobil s prodlužovačem dojezdu, s 5 kW baterií a malým zásobníkem vodíku, představeným na pařížském autosalonu 2012. Vozidlo vystavené na Solvay de Tavaux stránky .
Sériové vozy BrodVyrábí se model Focus FCV.
HondaHonda FCX Clarity je první sériově vyráběný automobil, na trh (pronajaté) v Japonsku a ve Spojených státech (State of California). Jedná se o pětimístné vozidlo vybavené nádrží s tlakem 350 barů.
Společnost Honda také vyráběla model Honda CR-X.
HyundaiTucson FCEV je hybridní vůz. Vodíkový palivový článek s výkonem 80 kW je poháněn plynovým válcem z kompozitního materiálu.
IX35 FCEV je nová generace modelu Tucson FCEV, který by se mohl začít prodávat na několika konkrétních územích s odpovídající infrastrukturou pro plnění vodíkem. Hyundai oznamuje dojezd 564 km a cena plné nádrže by se pohybovala kolem 56 eur. V roce bylo oznámeno technologické partnerstvíčervna 2018s Audi (dceřinou společností společnosti Volkswagen , s vědomím, že Německo zahájilo program zaměřený na 400 čerpacích stanic na distribuci vodíku) do roku 2023. Ve Francii v roce 2018 jezdila flotila taxíků Hype na vodík (včetně 60 modelů Hyundai).
Nikola Motor Companythe 3. května 2018Společnost Anheuser-Busch vydala objednávku až na 800 nákladních vozidel na dodávku piva do Spojených států.
ToyotaVýrobce vyrobil pětimístný vůz FCHV-4 a autobus FCHV-US1. Tyto programy byly poprvé představeny v roce 2001. Jsou vybaveny 90 kW vodíkovým palivovým článkem . Toyota oznamujeČerven 2009pro rok 2015 vývoj elektromobilů zcela založených na spalovacích článcích v prodeji (na rozdíl od současnosti, kdy jsou elektromobily pronajímány). včerven 2014, Toyota potvrzuje marketing v Japonsku do dubna 2015jeho první sedan s palivovými články, Mirai , za mnohem nižší cenu, než očekávali pozorovatelé; bude také nabízeno v létě 2015 ve Spojených státech a v některých evropských zemích vybavených nabíjecími stanicemi, jako je Švédsko; Toyota doufá, že v příštím desetiletí prodá desítky tisíc těchto automobilů ročně. Toyota Mirai byl propuštěn v roce 2014.