in

Palivový článek, alternativa pro spalovací motor?

Automobily jsou dnes poháněny především spalovacími motory, ale to zdaleka není jedinou možností, jak vyrobit energii pro pohon vozidla. Jednou z dalších možností je palivový článek. Nejedná se o palivo pro jaderný reaktor, ale o zařízení, které umožňuje bezplamenné spalování paliva se vzduchem.

Princip palivového článku

Palivový článek byl pravděpodobně objeven náhodou. Elektrochemici se v devatenáctém století zabývali elektrolýzou vody, kdy zjišťovali potřebné napětí na elektrodách a proud potřebný k vývinu produktů rozkladu.

Samotná elektrolýza je tvořena elektrodami, nejlépe platinovými, ponořenými do vody. Produkty rozkladu vody jsou vodík a kyslík. Samotná voda však nevede elektrický proud, je izolant. Přídavkem rozpustných sloučenin však dojde ke zvýšení vodivosti a k vedení proudu roztokem.

Aby nedošlo ke smísení kyslíku a vodíku – produktům rozkladu vody, jsou elektrody vzájemně odděleny polopropustnou přepážkou, která neumožňuje průchod plynů, ale zajišťuje průchod iontů, a tím není vodivost roztoku ovlivněna.

Po ukončení elektrolýzy tj. po vypnutí proudu zbýval kyslík a vodík v odvodných trubicích a tyto plyny spolu reagovaly zpět na vodu bez toho, aby shořely. Při tomto procesu začal téct obvodem proud.

Ekologicky naladění elektromobilisté mohou od prosince 2018 načerpat šťávu v unikátní dobíjecí stanici. Dobíječka u areálu ÚJV Řež je prostřednictvím lokální distribuční sítě propojená s vodíkovým hospodářstvím. Střešní fotovoltaické panely vyrábějí elektřinu a její přebytky se skladují ve vodíku jako v baterii. Foto: web ÚJV Řež

V dostupné historické literatuře je objev principu palivového článku přisouzen řadě vědců. Nejprve jej popsal a publikoval v roce 1939 švýcarský vědec Friedrich Schönbein. Traduje se však, že princip byl objeven náhodou, kdy po ukončení procesu elektrolýzy začaly oba produkty reagovat a produkovat elektrický proud. Přes veškerou snahu vědců v devatenáctém století se nepodařilo vyvinout funkční prototyp.

K renezanci došlo v 60. letech 20. století. Palivový článek má proti jiným zdrojům výhodnější poměr energie/hmotnost, proto se na vývoj článku zaměřil kosmický výzkum a články se staly zdrojem elektrické energie v programu Apollo a později pro raketoplány.

Nezanedbatelnou výhodou článku je fakt, že produktem „spalování“ je voda, kterou lze využít na palubě raketoplánu.

V Dolním Sasku od září 2018 jezdí dvě vlakové soupravy na vodíkový pohon. Jejich elektromotory, které pohání chemická reakce mezi vodíkem a kyslíkem, představují ekologičtější variantu klasických dieselových motorů. Vlaky jezdí rychlostí až 140 kilometrů za hodinu. Foto: Pixabay

Palivový článek (angl. fuel cell) je elektrochemické zařízení přeměňující přímo chemickou energii paliva a okysličovadla na energii elektrickou. V podstatě jde o zařízení pro elektrolýzu vody. I v tomto případě jsou zde dvě elektrody oddělené membránou. Ke kladné elektrodě (anodě) je přiváděno palivo, k záporné elektrodě (katodě) pak okysličovadlo. Samotný proces vzniku elektrického proudu je poměrně komplikovaný a jeho vysvětlení je mimo rozsah těchto informací.

Významné je, že článek, pokud není přerušen přívod paliva a kyslíku, může pracovat trvale. Elektrody jsou vyrobeny ze stabilního materiálu, nejčastěji z platiny.

Jak palivový článek schematicky vypadá, uvádí následující obrázek:

Problémem je, že nelze použít libovolné palivo, i když snadno hoří. Nelze tedy spalovat benzín se vzduchem. Nejvhodnější palivem je vodík. To vedlo v minulosti k myšlence využití vodíku jako paliva s využitím stávajících rozvodu plynu.

Tento nápad však nelze využít z řady důvodů. Vodíková molekula je velmi malá a snadno proniká i ocelí. Bylo by proto nutné vyrobit potrubí ze speciálních materiálů, které zabrání průniku ocelí.

Stlačený vodík je velmi lehký, proto množství paliva je podstatně nižší než v případě kapalných paliv. Přestože lze vodík zkapalnit, i v tomto případě je na závadu nízká hustota kapalného vodíku.

Je však nutno upozornit, že zachovat vodík ve formě kapaliny vyžaduje náročné chlazení.

Jak uchovat vodík ve vhodnější formě je předmětem výzkumu

Ideální by bylo použití metánu CH4, který obsahuje relativně vysoký obsah vodíku a lze jej zkapalnit. Bohužel s ohledem na stabilitu metánu je tento postup nevhodný, metan je reaktivní až při teplotě nad 1000 °C. Objevily se pokusy s amoniakem (čpavkem). Objevila se informace o laboratorní přípravě tuhé krystalické látky NH3BH3, která obsahuje nejvyšší množství vodíku na jednotku hmotnosti.

Druhým problémem je samotná výroba vodíku. Zde narážíme na zásadní problém s produkcí oxidu uhličitého.

Nejsnadněji lze vyrobit vodík z metánu nebo z jiného uhlovodíku popř. z uhlí. Vedlejším produktem je však vždy oxid uhličitý.

Zbývá nám proto vyrábět vodík z vody. Rozklad vody lze uskutečnit při vysoké teplotě (cca 3000 °C). Druhou možností je elektrolýza vody, ke které však potřebujeme elektrický proud. Samotná elektrolýza vody však neprobíhá snadno a její účinnost je menší než 100 %.

Samotný elektrický proud v současné době vyrábíme spalováním zemního plynu, ropných produktů nebo uhlí. Účinnost spalování je okolo 50 % a produkujeme oxid uhličitý. Zbývá proto možnost výroby elektrického proudu jiným „čistým“ způsobem.

Mezi čisté způsoby výroby elektrického proudu se řadí větrné elektrárny, fotovoltaické panely, vodní elektrárny a v neposlední řadě jaderná energetika.

Pokud však vyhodnotíme spotřebu elektrické energie pro výrobu zařízení fotovoltaiky, větrných a jaderných elektráren popř. problémy s výstavbou vodních elektráren, je výroba „čisté“ energie založena na obrovské spotřebě elektrické energie, kterou však vyrábíme „nečistým“ způsobem.

Pokud připočteme spotřebu energie nezbytné pro likvidaci fotovoltaiky, jaderného paliva nebo větrných elektráren, je otázkou nakolik jsme schopni „čistou“ energii vyrobit.

Přes veškeré problémy jsou již automobily na vodík v omezené míře dostupné na trhu

Automobilky Hyundai, Toyota, Honda a Mercedes-Benz již svá vozidla na vodíkový pohon představily zákazníkům. Z výše uvedených má například Toyota Mirai nádrž na 5 kilogramů vodíku a ujede na ni 500 km, což při ceně 14 dolarů za kilogram vodíku znamená, že automobil jezdí za 3 Kč na 1 km. Ve srovnání s kvalitním dieslovým motorem je to však stále velmi hodně.

Čekuj: iRozhlas.cz: Vodíková auta se pomalu stávají realitou i v Česku

Určitou nevýhodou je nízká měrná hmotnost vodíku, to znamená, že roste objem nádrže. Pokud však zvážíme, že účinnost systému palivový článek a elektromotor je nejméně trojnásobná ve srovnání se spalovacím motorem, pak nízká měrná hmotnost vodíku není na závadu.

V poslední době se objevila informace, že v krátké době klesne cena vodíku na úroveň běžných paliv. Pokud je tato informace pravdivá a nedojde k negativnímu vývoji, pak je rozšíření vozidel na vodík vysoce pravděpodobné.

Připravil SyncBytes

Čtěte také: ÚJV Řež: Vodíkové technologie

What do you think?

1 point
Upvote Downvote

Comments

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Loading…

0

Comments

0 comments

Jak svět ke cloudu přišel?

Řízení elektrárny je někdy adrenalin. Mladý technik dohlíží hned na devět obrazovek