Palivový článek - funkce a úspory

Přehled témat

Standardně používané palivové články
Jak funguje palivový článek?
Provozní režim během dne
Vitovalor PT2; PA2
Úspory díky palivovým článkům
Přehled palivových článků
Vodík a vše o něm
Sortiment výrobků

Palivový článek je topný systém, který využívá funkční princip kombinované výroby tepla a elektřiny. To znamená, že vyrábí jak elektřinu, tak teplo. Pro tuto výrobu energie a tepla potřebuje palivový článek kyslík a vodík. Ten se nejprve získává ze zemního plynu a poté se přeměňuje nebo reformuje v samotném palivovém článku. Jako vedlejší produkt vzniká voda.

Standardně používaný palivový článek

Palivový článek je jako topné zařízení mnohokrát vyzkoušený a spolehlivě fungující. Jen v Japonsku bylo od roku 2009 (k 01/2015) prodáno různými výrobci již více než 123 000 kusů pro stacionární aplikace. Kotle Viessmann na palivové články Vitovalor PT2 a Vitovalor PA2, speciálně vyvinuté a optimalizované pro rodinné a dvoupodlažní domy, pracují s velmi vysokou celkovou účinností a jsou navrženy pro výkonově optimalizovaný provoz.

Palivové články však poskytují energii také pro pohon vozidel a lodí a pro zásobování elektrickou energií v leteckém průmyslu. K dalším oblastem použití patří mobilní telefony (baterie), řízení dopravy, bezpečnost a dohled, větrná energie a telekomunikace. Kromě toho se palivové články vyskytují i v oblasti volného času pro zásobování energií (např. v obytných automobilech, plachetnicích, rekreačních domech a horských chatách).

Nabíjení elektromobilu doma: Jak to funguje

Získejte informace zevnitř! Prakticky každý dům (novostavba nebo projekt modernizace) může vyrábět ekologickou elektřinu pro rodinu a elektromobil; s palivovým článkem, zásobníkem energie, solárními články a správnou technologií lze maximálně snížit náklady na elektřinu a benzín.

Jak palivový článek funguje?

Výroba tepla a energie v palivovém článku je založena na elektrochemické reakci dvou prvků, kyslíku a vodíku. Nedochází k typu spalování, které probíhá v běžných kotlích, a proto se tento proces označuje také jako studené spalování.

Obrázek ukazuje schéma chemické reakce v palivovém článku.

Přestože je v přírodě k dispozici dostatek vodíku, nevyskytuje se ve formě potřebné pro studené spalování ve Vitovaloru. Musí se proto získávat ze zemního plynu v dřívějším procesu. V závislosti na požadavcích může být zařízení Vitovalor PT2 provozováno se zemním plynem H, E, LL nebo bio zemním plynem. Pomocnou jednotku Vitovalor PA2 lze provozovat se zemním plynem E a LL.

Dodávaný spalovací plyn prochází reformerem zabudovaným v jednotce, kde jej katalyzátor ve dvoustupňové reakci štěpí na vodík. V prvním stupni konverze vzniká směs vodíku a oxidu uhelnatého. Ve druhém, navazujícím procesu čištění plynu se oxid uhelnatý přemění na oxid uhličitý. Poté následuje studené spalování, při kterém se současně vyrábí elektřina a teplo.

Takto získaný vodík se pak dodává do modulu palivového článku. Poté se na anodě rozdělí pomocí katalyzátoru na kladné ionty a záporné elektrony. Ty putují z anody přes elektrický vodič ke katodě, kde vzniká stejnosměrný proud. Integrovaný měnič jej před dodáním do napájecího obvodu přemění na střídavý proud. Kladně nabité ionty se zároveň dostanou na katodu, kde reagují s kyslíkem. Teplo uvolněné při této reakci je absorbováno vodou naplněnými chladicími kanály palivového článku a předáváno do výměníku tepla. Takto získanou tepelnou energii lze nyní využít pro ústřední vytápění nebo ohřev TUV. Oddělení kladně nabitých iontů a záporně nabitých elektronů navíc zabraňuje výbušné kyslíkovodíkové reakci.

Máte dotazy k palivovým článkům?

Zeptejte se odborníků Viessmann

Ptejte se

Jak palivový článek funguje v průběhu dne

Po velkou část dne postačuje elektřina vyrobená topným systémem s palivovými články k pokrytí poptávky. Elektřinu je třeba odebírat z veřejné sítě pouze v době špičky. Přebytečná energie je za úplatu exportována do sítě. Díky tomu jsou uživatelé topných systémů s palivovými články méně závislí na rostoucích cenách elektřiny.

Obrázek znázorňuje provoz topného systému Viessmann s palivovými články v ranních hodinách.

Největší poptávka po elektřině a teple je ráno: na svícení, přípravu snídaně a sprchování. Palivový článek vyrábí teplo a energii pro spotřebu na místě. Pro dodatečnou potřebu tepla se automaticky zapíná kotel pro špičkovou zátěž (vlevo). Během dopoledne palivový článek pokračuje v provozu a pokrývá základní zatížení – kotel pro špičkové zatížení se vypíná.

Obrázek znázorňuje provoz topného systému Viessmann s palivovými články v poledne.

Více energie je potřeba také v poledních hodinách: například na vaření nebo mytí. Kotel pro špičkovou zátěž zase pokrývá dodatečnou potřebu tepla. V průběhu odpoledne spotřeba energie opět klesá a palivový článek pokračuje v provozu sám.

Obrázek znázorňuje provoz topného systému Viessmann s palivovými články ve večerních hodinách.

Ve večerních hodinách je často potřeba více elektřiny, než kolik jí palivový článek vyrobí. Pak je další energie odebírána z veřejné sítě. Jakmile se dům v pozdních večerních hodinách ztiší, výrazně klesne i potřeba energie. Přebytečná energie z palivového článku je dodávána do sítě a je za ni vyplácena odměna.

Obrázek znázorňuje provoz topného systému Viessmann s palivovými články v noci.

Potřeba tepla a energie je minimální. Palivový článek pracuje v základním režimu. Systém zcela pokrývá energetické potřeby domu.

Vitovalor PT2 a Vitovalor PA2

S Vitovalorem PT2, nástupcem modelu Vitovalor 300-P, a Vitovalorem PA2, pomocnou jednotkou pro doplnění stávajícího topného systému, nabízí společnost Viessmann dvě efektivní řešení pro výrobu energie a tepla v rodinných domech a domech pro dvě rodiny.

Více informací

Kompaktní topné zařízení Vitovalor PT2 s palivovými články

Vitovalor PT2 je ideálním energetickým centrem pro moderní rodinný dům. Systém kombinuje výrobu tepla a elektrické energie na velmi malé ploše. Vytápěcí systém s palivovými články nabízí výrazně vyšší elektrickou účinnost, než jaká je dostupná prostřednictvím současných řešení kombinované výroby tepla a elektřiny (KVET). Díky tomu se snižuje množství odebraného tepla a topné zařízení s palivovými články je obzvláště vhodné pro použití v novostavbách a při rekonstrukcích.

Na obrázku je znázorněn systémový obrázek topného systému Viessmann Vitovalor PT2 s palivovými články.

Schéma systému Vitovalor PT2

[1] Standardní jednotka s modulem palivového článku a plynovým kondenzačním kotlem
[2] Věžový zásobník
[3] Komunikační rozhraní
[4] Integrovaný měřič exportu
[5] Router
[6] Domácí energetický okruh
[7] Internet
[8] Aplikace ViCare
[9] Veřejná síť

Vytápěcí systém Viessmann s palivovými články se skládá ze dvou jednotek, které lze přepravovat odděleně. To umožňuje rychlou a snadnou instalaci i v úzkých sklepních prostorách. Jedna jednotka obsahuje nerezový zásobník teplé vody o objemu 220 litrů, zatímco ve druhé jednotce je umístěn plynový kondenzační kotel pro pokrytí špičkového zatížení, řídicí jednotka s kompenzací počasí s velkým barevným dotykovým displejem a modul palivových článků s reformerem, měničem a zásobníkem palivových článků (řada mnoha palivových článků). Tato vizuálně ucelená jednotka je kompaktní a vyžaduje plochu pouhých 0,72 m2.

Průřez výrobku Viessmann Vitovalor PT2

Vitovalor PA2 jako rozšíření

Viessmann Vitovalor PA2 je ideálním doplňkem stávajícího systému. Jedná se o kompaktní systém sestávající z modulu palivového článku, integrovaného reformeru, řídicí jednotky a hydraulické a senzorové techniky. Na rozdíl od systému Vitovalor PT2 není integrován plynový kondenzační kotel.

Plynový kondenzační kotel slouží především k pokrytí tepla v době špičkového zatížení. To znamená, když je venku velmi chladno nebo když je v krátké době potřeba velké množství teplé vody. Plynový kondenzační kotel a modul palivových článků jsou napájeny společným plynovým vedením. Sdílejí také společný systém odvodu spalin, což usnadňuje instalaci stejně jako u nástěnného plynového kondenzačního kotle. To platí pro Vitovalor PA2 zejména pro Vitodens 200-W od roku výroby 2011.

Průřez výrobku Vitovalor PA2

Na obrázku je průřez výrobku Viessmann Vitovalor PA2.

Jak účinný je topný systém Viessmann s palivovými články?

Při výrobě elektřiny vzniká také teplo, které se ve velkých konvenčních elektrárnách zpravidla ztrácí jako nevyužité odpadní teplo. Naproti tomu topné systémy s palivovými články, jako je Vitovalor, využívají toto odpadní teplo pro ústřední vytápění a ohřev TUV. Proto mají velmi vysokou celkovou účinnost. Navíc nedochází ke ztrátám při přenosu energie, protože energie se využívá přímo na místě. Dokonce i přeměna spalovacího plynu na vodík je velmi účinná díky absenci mezistupňů termomechaniky. Konstantní elektrický výkon modulu palivového článku je 0,75 kW. Velkou část potřeby elektrické energie tak lze pokrýt kdykoli.

Vitovalor funguje ještě efektivněji v kombinaci se systémem ukládání energie Vitocharge. Ten dokáže ukládat přebytečnou energii pro období špičkového zatížení, což výrazně zvyšuje nezávislost na dodavatelích elektřiny. Případně je zcela jednoduché přebytečnou energii exportovat do veřejné sítě. Integrovaný energetický manažer se sám učí, a proto optimalizuje úroveň spotřeby na místě.

Odborná konzultace pro Vitovalor

Získejte od našich kvalifikovaných partnerů nezávaznou individuální konzultaci zdarma!

Požádejte o konzultaci nyní

Osvědčené a spolehlivé: Technologie palivových článků od společností Viessmann a Panasonic

Pro společnost Viessmann by bylo nepředstavitelné inovovat, aniž by se kladl nejvyšší důraz na spolehlivost a životnost. Společnost Viessmann sází na osvědčenou techniku i u topných systémů s palivovými články. Proto byly vyvinuty ve spolupráci se společností Panasonic. Modul palivového článku Vitovalor pochází od této japonské společnosti. Panasonic vyrobil pro japonský trh více než 34 000 kusů v sériové výrobě.

Na obrázku jsou dva chlapci hrající si před vozem Viessmann Vitovalor PT2.

Přehled technologií palivových článků

Elektrolyt v palivovém článku PEM je tvořen plastovou membránou, která propouští pouze protony. Palivový článek PEM není složitý, protože si vystačí s kyslíkem obsaženým ve vzduchu. Nevyžaduje žádné složité filtrační a čisticí procesy. Palivový článek PEM lze použít ve stacionárních i mobilních aplikacích. Díky nízké teplotě systému lze tento palivový článek provozovat velmi flexibilně a často jej zapínat a vypínat.

DMFC je dalším vývojem PEM. Namísto vodíku využívá metanol. Vzhledem k tomu, že metanol lze skladovat a přepravovat podobně jako benzin, je vhodný jak pro použití ve vozidlech, tak i v přenosných zdrojích energie a jako náhrada baterií.

Palivový článek na bázi pevných oxidů je vyroben výhradně z pevných látek. Jako elektrolyt se používá keramika. Palivový článek na bázi SO lze provozovat na zemní plyn bez složité úpravy plynu. Charakteristické pro SOFC jsou dlouhé zahřívací fáze a také delší doba provozu, protože kvůli vysoké teplotě snesou během své životnosti pouze několik cyklů start-stop. Proto je SOFC vhodný pro aplikace, které umožňují téměř nepřetržitý provoz.

AFC je jedním z nejstarších typů palivových článků. K čištění reakčních plynů vodíku a kyslíku je třeba vynaložit značné úsilí. Původně se používal hlavně při cestách do vesmíru – jeho výroba však byla z velké části ukončena již počátkem 70. let 20. století.

PAFC je palivový článek vyvinutý pro velké kogenerační jednotky a energetické podniky. Palivový plyn potřebný pro provoz se získává ze zemního plynu. Kyslík pochází přímo ze vzduchu.

Uhličitanový palivový článek dosahuje teploty 650 °C a umožňuje optimální využití odpadního tepla. MCFC je provozován přímo se zemním plynem a atmosférickým kyslíkem. Používá se především ve velkých elektrárnách energetických společností.

Základní znalosti: co je to vodík?

Vodík...

je zdrojem energie s nejvyšší hustotou energie v hmotnostních jednotkách.
je chemický prvek se symbolem
se skládá z protonu a elektronu
má atomové číslo 1 (popisuje počet protonů v atomovém jádře chemického prvku - proto se také nazývá protonové číslo)
je nejběžnějším chemickým prvkem ve vesmíru
nevytváří CO₂, protože H₂ neobsahuje uhlík

Následující vysvětlující video poskytuje informace o vodíku jako o médiu pro ukládání energie budoucnosti.

Vodík je v našem každodenním životě téměř neznámý. Naopak, H₂ je předmětem předsudků, které většinou vycházejí z neznalosti nebo nepravdivých informací. Jako palivo však nabízí řadu výhod.

Vodík...

se sám nezapaluje
nerozkládá se (na rozdíl např. od acetylenu)
neoxiduje, a proto není urychlovačem hoření
není toxický, korozivní ani radioaktivní
je bez zápachu
nekontaminuje vodu
nepoškozuje přírodu ani životní prostředí
není karcinogenní
hoří beze zbytků

Vodík bude v příštích letech hrát stále významnější roli jako palivo v silniční dopravě a jako akumulační médium v zásobování energií. Již dnes se vodík ve velké míře používá k pohonu palivových článků ve vozidlech. Například v autobusech pro místní veřejnou dopravu. Dosud zde nedošlo k žádným nehodám. Koneckonců vodík je bezpečný - sám od sebe nevybuchne. To by musel být přítomen okysličovadlo (např. vzduch nebo čistý kyslík) a zdroj vznícení (mezní hodnota vznícení ve vzduchu: 4 až 75 objemových procent).

Srovnání s jinými palivy

Na rozdíl od benzínu nebo LPG je vodík, stejně jako metan, lehčí než vzduch. Má nejvyšší energetickou hustotu ze všech paliv – 33,33 kWh/kg (vztaženo na hmotnost; metan: 13,9 kWh/kg, benzín: 12 kWh/kg) a s 3,0 kWh/Nm3 jednu z nejnižších energetických hustot (vztaženo na objem; metan: 9,97 kWh/Nm³, benzín: 8800 kWh/m3).

Palivový článek: funkce a potenciál úspor

Standardně používaný palivový článek

Nabíjení elektromobilu doma: Jak to funguje