Palivové články (Fuel Cell) – Vodík záchranou?

Jules Verne předpovídal už v roce 1874, že vodík bude energetickým trumfem lidstva... 

V románu Tajuplný ostrov sice Jules Verne tuto vizi naznačil, ale dnes je už třeba tento trumf pomalu začít z rukávu vytahovat! Pro pohon vozů se vodík uplatní buď přímo jako palivo spalovacího motoru, anebo prostřednictvím palivového článku, v němž elektrochemickou reakcí vodíku s kyslíkem vzniká kromě vodní páry také elektrický proud. Automobil si tak soustavou palivových článků vozí s sebou vlastní elektrárnu, jejíž produkt využívá pro pohon trakčního elektromotoru. Tato myšlenka není nová a hrozivé scénáře o ohrožené dostupnosti energetických zdrojů vedly k jejich intenzivnímu vývoji s přímnou aplikací pohonu. Počátky nebyly zrovna povzbudivé. Třeba zkušební lehký užitkový automobil Mercedes-Benz MB100 (NECAR 1), s nímž stuttgartská automobilka přišla v roce 1994, byl od podlahy po střechu napěchovaný potřebným zařízením a místo v něm zbylo jen pro dvoučlennou posádku.

Dnes lze technologii palivových článků bez problémů umístit i do vozu kompaktních rozměrů. Značným posunem v tomto směru byla nová konstrukce tlakových nádob, která umožňuje převážet vodík stlačený na 70 MPa místo dosavadních 30 MPa. Své přinesl vývoj svazků palivových článků (stacks), jež jsou nejen lehčí a výkonnější, ale i menší. Hodně se pokročilo v oblasti získávání vodíku, které již není tak nákladné a z ekologického pohledu je příznivější. Například automobilka Audi v severním Německu jako majitel vybudovaného zařízení využívá proud z vlastních větrných elektráren pro elektrolýzu vody, kde vzniklý vodík může sloužit jako aktivní složka palivového článku. Ovšem u Audi mají ještě alternativu v následné metanizaci (reakce CO₂ a H₂), při níž vzniká syntetický substitut zemního plynu CH₄, jenž se dostává do sítě čerpacích stanic CNG. Pod sílícím tlakem úřadů dbajících o naše životní prostředí prožívají palivové články renesanci, ve které hlavní roli přebraly tři asijské automobilky.

V úmyslu mají do konce příštího roku dodat k testování řadu menších vozů jak do Kalifornie, tak do Evropy. Tuto iniciativu odstartoval Hyundai, následují Toyota a Honda. Jde totiž i o čas, protože v Kalifornii podle předpisů musí do roku 2025 jezdit nejméně patnáct procent vozů bez škodlivých emisí, takže takové automobily je třeba i prodávat. Právě palivové články jsou výhodné ve dvojnásobku emisních kreditů proti klasickým elektromobilům. Testy by měly ukázat také finanční náročnost ve srovnání s klasickými pohony. Samozřejmě, největšími problémy palivových článků jsou právě enormní cena a hustota sítě vodíkových stanic. V USA přijde leasing vodíkového FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) střední třídy na zhruba tolik jako provoz klasické luxusní limuzíny.

Například za Hyundai ix35 FCEV se měsíčně platí asi 500 USD včetně paliva, Honda pronajímá od roku 2008 sedan FCX Clarity za 600 USD měsíčně. Těchto vozů jezdí nejvíce v Kalifornii vzhledem k možnosti získat příjemné subvence a také proto, že v tomto americkém státě je nejvíce čerpacích stanic vodíku. Ani tam jich ovšem není mnoho, protože v celých USA je celkem patnáct veřejných vodíkových stanic, během deseti let se má jejich počet zvýšit asi o sto. S automobily FCEV se počítá i v Evropě, neboť bezemisní vozy mohou podstatně vylepšit ekologickou bilanci automobilek. Skandinávské země zvyšují daně z benzinu nebo nafty a snižují daňovou zátěž těm, kteří si koupí EV (čistý elektromobil) nebo FCEV. U druhé varianty pohonu, kdy akumulátor jako energetický zdroj nahrazují palivové články, je značnou výhodou rychlé tankování. Nadšení pro palivové články v posledních letech značně kolísá.

U General Motors tuto technologii prosazovali do roku 2009, po bankrotu koncernu a jeho záchraně za pomoci daňových poplatníků se přeorientovali na hybridní vozidla. Nepočítá se ani s tím, že by do roku 2020 přišel do nabídky vůz s palivovými články, přestože General Motors v této oblasti dlouhodobě spolupracuje s Hondou. Také další manažeři jsou skeptičtí. Elon Musk, šéf Tesla Motors, vodíkové články hodně kritizoval, dokonce i Dieter Zetsche, ředitel koncernu Daimler, dává této technologii nejméně deset let, než se může komerčně vyplácet. Velice si naproti tomu věří Toyota a doufá, že její vstřícný postoj k zavedení palivových článků jí zajistí účast mezi těmi nejlepšími a naváže tak na úspěšnou historii hybridních vozů. U příležitosti nedávného otevření vodíkové čerpací stanice v Hamburku představila Toyota studii sedanu FCV Concept (viz předcházející stránky), která by se v sériové podobě měla objevit během příštího roku nejprve v Japonsku, pak i v USA a Evropě. Její palivové články by měly mít výkon kolem 100 kW, také akumulátor pro sérii udělal velký krok vpřed, když se jeho energetická hustota zvýšila o padesát procent na 3 kW/l. Hodně bude také záležet na vývoji cen palivových článků.

Jak pracuje FC?

V palivovém článku FC (Fuel Cell) se spojují vodík a kyslík na vodu, přičemž uvolněná energie z této reakce nepřijde nazmar explozí, ale přemění se přímo na elektrický proud. Protože oba plyny nesmí spolu přijít do přímého styku, jsou odděleny polymerovou membránou, která dovoluje průchod pouze protonům, tedy elektricky nabitým vodíkovým ionům. Přebytkem elektronů vodíkových atomů na vodíkové straně elektrolytu dochází k vytvoření záporného pólu, kyslíková strana pak vytváří kladný pól. Takto vzniklé elektrické napětí je už pro pohon elektromotoru využitelné, pokud se články propojí ve větší svazky.

Převzato z časopisu

Fotogalerie