Mercedes-Benz F600 HyGenius - Auto na pozítří

Další perspektivou v oblasti paliva je především vodík, využívaný pro výrobu elektrické energie v palivových článcích přímo na palubě automobilu. S takovým scénářem počítají i vývojáři DaimlerChrysler, kteří už od roku 1994 představují prototypy automobilů s vodíkovými palivovými články (1994 NECAR 1 na základě MB100; od 1996 NECAR 2 až 5, odvozený od A-Klasse; 2000 Jeep Commander 2; 2001 Chrysler Voyager Natrium; později Sprinter H2, A-Klasse F-Cell, 2005 B-Klasse F-Cell).

V palivovém článku reaguje vodík s atmosférickým kyslíkem, ovšem vzniklá energie se nevybije explozí známou z hodin chemie, ale za určitých okolností se přemění v elektrický proud. Oba zúčastněné plyny odděluje speciální fólie s vrstvičkou katalyzátoru, umožňující průchod jenom některým elektricky nabitým částicím, čímž se poruší jejich rovnováha a na bipolárních deskách uzavírajících palivový článek se vytváří elektrické napětí. Odpadním produktem této elektrochemické reakce je pouze vodní pára, zatímco získaná elektrická energie se využívá k pohonu automobilu. Problémem provozu s palivovými články je jednak jejich cena, jednak získávání vodíku, přičemž jeho přeprava i tankování nejsou a nebudou jednoduché. Dnes se vodík, určený převážně pro chemický průmysl, získává z 80% z fosilních paliv, která je třeba chránit, takže v úvahu pro výrobu ve velkém přichází energeticky značně náročná elektrolýza vody, ovšem ta bez využití obnovitelných zdrojů energie nemá šanci. Nicméně konstruktéři DaimlerChrysler na technologii pohonu palivovými články intenzivně pracují, a i když se v počátku vývoje ve Stuttgartu hovořilo o uvedení do běžného provozu v roce 2004, dnešní prognózy zmiňují nejdříve rok 2012 s tím, že o osm let později budou tvořit automobily poháněné palivovými články (včetně užitkových a autobusů) pouhé 1% trhu. V souvislosti s tenčícími se zásobami ropy to není nic povzbudivého.

Na loňském autosalonu v Tokiu se objevila studie F600 HyGenius, postavená na podlahové plošině Mercedes-Benz třídyB, která ukazuje nejen pokrok, jehož technologie palivových článků dosáhla, ale také některá obecná řešení osobního automobilu příští generace. Proti velmi dobře propracovanému prototypu Mercedes-Benz F-Cell třídy A má studie F600 HyGenius o 30% větší výkon, o 16% nižší spotřebu energie, prodloužený dojezd ze 150 na 400 km a vlastní články se nyní spokojí s prostorem o 40% menším, nemluvě o dalším zlepšení provozních vlastností (především startování za studena). K novinkám soustavy pracující s palivovými články patří náhrada akumulátorů typu Ni-MH (nikl-metalhydrid) dvojnásobně výkonnějšími akumulátory provedení Li-Ion (lithium-ionového), které jsou schopny zajistit energeticky hospodárnější provoz v obdobné formě jako u hybridních vozů. Znamená to, že při běžné jízdě je elektromotor napájen elektrickou energií přímo z palivových článků a řidič může počítat s výkonem 66 kW. Pro zrychlování je k dispozici ještě energie z akumulátorů, takže v tomto jízdním režimu lze využít výkon zvýšený na 85 kW. Manévrování na parkovišti zajišťuje energie pouze z akumulátorů, což znamená maximální výkon 55 kW. Jakmile vůz začne brzdit, elektromotor se automaticky přepíná do funkce generátoru, který dobíjí akumulátory.

V konstrukci vlastních palivových článků došlo k optimalizaci jejich detailů; například změna materiálu bipolárních desek z uhlíkových na kovové, čímž se zlepšily jejich vodivost i pevnost; čtyři bloky po stovce palivových článků (tzv. stacks) jsou nyní o 40% menší než dosud. Pro snížení hmotnosti a velikosti pohonného systému i jeho účinnosti bylo vyvinuto nové elektrické turbodmychadlo, jež zajišťuje dodávku stlačeného vzduchu pro články a proti dosavadnímu šroubovému kompresoru má zhruba třetinovou velikost, váží jeho pouhou sedminu a má také tišší chod.

Výzkumníci koncernu DaimlerChrysler si už také poradili s vodou, která je vedlejším produktem elektrochemické reakce kyslíku s vodíkem a má i důležitou úlohu ve funkci palivového článku. K zajištění pohybu protonů v článku je třeba udržovat fólii mezi bipolárními deskami (anodou a katodou) stále vlhkou. Dosud byla voda ve vzduchu, který opouštěl článek, zachycována a vstřikována zpět do vzduchu (nositele kyslíku pro reakci) procházejícího článkem. Nevýhodou této metody bylo, že při teplotě pod bodem mrazu palivové články zamrzaly a byly tak vyřazeny z provozu. U systému výroby elektrické energie ve studii F600 HyGenius se používá modifikovaná fólie, která potřebuje výrazně menší vlhkost než dřív, takže bylo možno přejít na technicky nenáročný modul se schopností pracovat jako zvlhčovač i odvlhčovač. Ten je vyplněn dutými vlákny, která propouštějí vodní páru, ale jinak se chovají ke vzduchu; modulem tedy proudí turbodmychadlem stlačený okolní vzduch a nabírá v něm pouze tolik vlhkosti, kolik je jí třeba pro průchod protonů. Trvale proudící vzduch navíc odnímá ze svazku palivových článků vodu vzniklou reakcí kyslíku s vodíkem, jíž se průchodem modulu s dutými vlákny částečně zbavuje. Touto přebytečnou vodou se zvlhčuje komprimovaný vzduch vstupující do palivových článků. Díky této metodě se po ukončení jízdy ve svazcích palivových článků žádná voda nenachází a systém nemůže zamrznout. Spolehlivě jej lze spustit i při mrazu -25 °C.

DaimlerChrysler, resp. Mercedes Car Group, díky těmto inovacím udělal nejen další krok směrem k sériové vyzrálosti vozu s palivovými články, ale také výrazně zlepšil energetickou bilanci pohonného systému. Ve studii F600 HyGenius dosahuje systém palivových článků již při dílčím zatížení účinnosti kolem 60 % a pracuje hospodárněji než běžné spalovací motory, jejichž účinnost asi 45 % přichází v úvahu až při plném zatížení. V přepočtu na energetický ekvivalent nafty má tento výzkumný automobil spotřebu pouhých 2,9 l/100 km. Plně si tedy z ekologického hlediska zaslouží označení třílitrový automobil, který se ještě navíc pohybuje bez výfukových škodlivin.

Mercedes-Benz F600 HyGenius - STRUČNÉ TECHNICKÉ ÚDAJE

Čtyřmístný cestovní automobil s elektrickým pohonem zadních kol, využívající elektrickou energii vyráběnou prostřednictvím vodíkových palivových článků.

POHÁNĚCÍ SOUSTAVA

umístěna pod podlahou vozu; vzadu permanentně buzený synchronní elektromotor na střídavý proud, trvalý/největší výkon 60/85 kW, točivý moment 250 až 350 N.m; mezi nápravami akumulátory Li-Ion, napětí 200 až 270 V, výkon 30/55 kW, 4 svazky (stacks) palivových článků (4x 100 článků) a dvě nádrže vodíku (celkem 4 kg, tlak 700 barů); pohon zadních kol.

PODVOZEK

bezrámová konstrukce; přední náprava s dolními příčnými rameny a vzpěrami McPherson, vzadu víceprvkové závěsy; brzdy kotoučové čtyřpístkové s vnitřním chlazením a podtlakovým posilovačem s elektrickým čerpadlem; kola 7J x 20 ET45 z lehké slitiny, pneumatiky 215/45 R 20.

ROZMĚRY A HMOTNOSTI

rozvor náprav 2900 mm; rozchod kol 1556/1554 mm; délka 4348 mm; výška 1700 mm; hmotnosti neuvedeny.

PROVOZNÍ VLASTNOSTI (údaje výrobce)

největší rychlost 170 km/h; spotřeba energie 2,9 l/100 km (přepočteno na ekvivalent nafty); dojezd více než 400 km.

text: Pavel Biskup

foto, kresby: DaimlerChrysler

zdroj: Automobil revue 3/2006