Palivové články Vaillant

Jako každý druhý rok, tak i letos koncem března se konal mezinárodní veletrh tepelné techniky ISH 2003 ve Frankfurtu nad Mohanem. Návštěvníci této gigantické výstavy mohli zhlédnout exponáty od nejběžnějších prvků topenářské a sanitární techniky až po vývojové výrobky, jejichž uvedení trh se očekává až (nebo už?) v několika příštích letech. Jeden z nejzajímavějších exponátů výzkumu bylo možné si prohlédnout na stánku firmy Vaillant GmbH. Jednotku tvořenou tzv. palivovými články. Ne to není utopie, palivové články mají v budoucnosti dodávat jak teplo, tak vyrábět elektrický proud pro větší obytné celky. V současné době jsou v Německu v provozu 3 systémy s palivovými články. Normální prodej se očekává přibližně v roce 2005.

Elektrochemická reakce
Palivové články začaly být vyvíjeny u firmy Vaillant již v roce 1997. Řešením celého výzkumu má být jednotka zajišťující výrobu tepelné a elektrické energie a zajišťující rovněž přípravu teplé užitkové vody. "Srdcem" tohoto agregátu je PEM (Proton Exchange Membrane) buňka (obr. 1), v které dochází k elektrochemické reakci mezi molekulami vodíku H₂ a kyslíku O₂. Na anodě předává vodík své elektrony, které procházejí elektrolytickou membránou a reagují na katodové straně s kyslíkem za vzniku H₂O. Při této kontinuální reakci dochází neustále k výměně elektronů. Elektrolytická membrána je prostupná pouze pro vodíkové protony H+ a elektrony mohou obíhat přes elektrický okruh - tím vzniká elektrický proud a současně je tato reakce doprovázena vznikem tepla, které se může využít pro vytápění a ohřev užitkové vody.

Obr. 1 - Buňka přeměňující vodík na proud a tepelnou energii 1 Anoda 2 Katoda 3 Proton Exchange Membrane (PEM) 4 Molekuly vodíku 5 Molekuly kyslíku

Z plynu vzniká elektrický proud a teplo
Palivové články jsou provozovány na zemní plyn. Zemní plyn, vodní pára a vzduch jsou přiváděny do reformeru a zde dochází k převádění těchto sloučenin na tzv. reformat. Ten je dále přiveden do palivové buňky, kde dochází ke zvlhčení membrány a následné reakci se vzdušným kyslíkem za vzniku elektrického proudu a tepla (obr. 2). Elektrický převodník mění stejnosměrný proud na střídavý proud pro další - domácí použití. Zbytkové teplo je k dispozici pro topný systém.

Obr. 2 - Laboratorní prototyp jednotky s palivovými články 1 Regulátor a komunikační vstup 2 Převodník 3 Reformer 4 Palivová buňka 5 Zvlhčovač membrány PEM

Ekonomické po celý rok
Díky svému širokému modulačnímu výkonu je možný provoz jednotky s palivovými články po celý rok. V letním období je samozřejmé využití pro ohřev užitkové vody. V topném období pro pokrytí špiček je jednotka vybavena přídavným klasickým topným kotlem. Další přídavný zásobník užitkové vody, který je rovněž natápěn palivovými články, slouží k vyrovnávání rozdílných spotřeb tepla a elektrického proudu.

Centrálně regulován a optimalizován
Ve vývojových laboratořích jsou již představy o využití těchto agregátů. Jestliže tyto jednotky budou spojeny s jednou řídicí centrálou, vznikne potom "virtuální elektrárna", která je spojena s rozvodnou sítí jednotlivých domů. Komunikace několika jednotek s centrálou dále umožní automatické dálkové ovládání s mnoha výhodami - optimalizací výkonu, rozpoznání poruch apod.

Výzkumy však již teď napovídají, že klasické spalování zemního plynu se musí změnit v jinou technologii, která rovněž bude více ekologická než všechny doposud používané konstrukce tepelných agregátů. Předpokládá se nejdříve využití ve větších bytových celcích. Použití pro menší rodinné domy a obytné jednotky se jeví zatím nereálné ve vztahu k současnému stavu techniky.

Požadované technické údaje na jednotku s palivovými články:

• elektrický výkon: 1 - 4,6 kWel
• tepelný výkon: 1,5 - 7 kW + 25 - 50 kW
• použití: vícebytové domy a malé průmyslové a hospodářské jednotky
• elektrická účinnost: > 35 %
• celková účinnost: > 80 %
• palivo: zemní plyn
• teplota topné vody max.: 70/55 °C

Použitá literatura:
1. Firemní materiály Vaillant
2. Časopis Topenářství instalace roč. 2001, článek Krok do brzké budoucnosti?