Jsou automobily na vodík bezpečné?

Zpracoval: Pavel Vojna DS1

O autech na vodík se mluví už dlouhá léta. Kam však dospěl jejich vývoj dnes? Jaké problémy musí odborníci řešit v dnešních prototypech? A kde a jak získat vodík do palivových článků?

Dlouhá léta se počítalo s tím, že auta bude do budoucnosti pohánět elektromotor. Zdrojů elektrické energie je celá řada a samotný provoz elektromobilů je prakticky bez škodlivých emisí. Stav tedy ideální. Slabým článkem elektromobilu však byl od samého počátku zásobník energie - akumulátor. Ve voze vadila nejen jeho hmotnost. Všeobecně se ale věřilo, že se najde takový akumulátor, který se všech nepříjemných negativů zbaví. Bohužel to bylo jen zbožné přání.

Odpadem je neškodná voda

Ani dnes se ale od elektromobilů neustoupilo, došlo však k zásadní změně - automobil si bude vozit svou vlastní „elektrárnu". Při výrobě elektrického proudu se dají využít palivové články, u nichž se energie vzniklá při reakci vodíku s kyslíkem za určitých podmínek přemění v elektrický proud. Odpadním produktem je pak jen neškodná voda.
Pro ekologicky laděný automobil je elektrický pohon řešením jen pokud, je-li elektrická energie získávána bez vzniku škodlivin. A proces probíhající v palivovém článku do atmosféry žádné takové nečistoty neprodukuje. Proti klasickému spalovacímu motoru zde jde o takzvané studené spalování při nízké teplotě kolem 80 °C, netvoří se ani NOx - oxidy dusíku, z výfuku odchází pouze vodní pára.
Palivový článek má také principálně vyšší účinnost. Její hodnota vztažená už na automobil jako celek kolem 40 % proti 17 až 20 % při použití spalovacího motoru s klasickým palivem. Důležité také je, že reakce v palivovém článku probíhá komunálně a bez hluku, v celém systém totiž není žádný pohyblivý prvek.

Jak pracuje palivový článek?

Palivový článek typu PEM (Proton Exchange Membran - membrána s protonovou výměnou) je pro využití v automobilu nejvhodnější. V něm reaguje vodík s atmosférickým kyslíkem. Vzniklá energie se ovšem nevybije explozí, ale přemění se na elektrický proud. Trik této reakce spočívá v oddělení obou zúčastněných plynů speciální membránou, která propouští pouze vodíkové ionty (protony). Přebytkem elektronů vodíkových atomů na vodíkové straně dochází k vytvoření záporného pólu a na kyslíkové straně kladný pól. Pokud se tyto články propojí ve větší svazky, je takto získané napětí na bipolárních deskách už využitelné pro pohon elektromotoru. Popsaná reakce probíhá při teplotě 80 až 90 °C a jejím vedlejším produktem je vodní pára.

obr7

Ford představil prototyp vozu FCV na pohon palivovými články v roce 2001 v Ženevě

Problémy s vodíkem

Pokud budeme zjednodušeně předpokládat, že kyslík pro elektrochemickou reakci se dá získat z okolního vzduch, u vodíku už narazíme na problém. Vodík je využíván pro chemický průmysl a jeho celosvětová spotřeba se pohybuje kolem 600 miliard m3. Z 80 % se ale získává z klasických (fosilních) paliv, která bychom vzhledem k jejich omezenému množství měli chránit.
Nadějnou cestou k získání vodíku je alkalická elektrolýza vody, která je dnes nejhospodárnějším druhem elektrolýzy pro výrobu vodíku ve velkém množství. Dlouhodobě má však elektrolýza smysl jen tehdy, pokud elektrický proud nezbytný k rozložení vody zajišťují obnovitelné zdroje energie.

Nevybuchnou nádrže?

Na další ze série problémů narazíme při přepravě vodíku v samotném automobilu. Tady se nabízejí hned dvě schůdné možnosti. Buďto to bude v plynné formě v těžkých tlakových nádobách (stačení až 700 barů), nebo ve zkapalněném stavu v nádržích při mrazivých -253 °C. Ale ano při sebepečlivější tepelné izolaci se však nedá zabránit odpařování vodíku, a tak je třeba se nežádoucího přetlaku v nádrži nějak zbavovat. Při delším stání vozu by se totiž mohla prakticky úplně vyprázdnit nádrž.
Aby situace nebyla tak komplikovaná a dala se navíc využít stávající nádrže automobilů, mohl by se například tankovat metanol a vodík získávat z něj. Během příslušné reakce se vznikají jako vedlejší produkt CO2 a CO, z nichž CO je třeba dál přeměnit na CO2. Znamenalo by to částečný návrat k využití fosilního paliva, navíc doprovázený vznikem složky, která je podezřela ke vzniku skleníkového efektu Země.
Co se týká bezpečnosti, tady řada současných testů prokázala, že nádrže s vodíkem jsou stejně nebezpečné jako s benzínem, v případě ohně ještě bezpečnější.

 

obr6

Tankování vodíku pomocí speciální spojky s hrdlem nádrže

První vlaštovky na vodík

Situace s dostupností vodíku by se však měla začít rychle zlepšovat. Vůbec první čerpací stanicí na vodík na světě byla postavena na mnichovském letišti a už 5 let jak osobním vozům, tak autobusům přizpůsobenými na spalování vodíku a benzinu. U čerpací stanice v Berlíně, která byla otevřena v roce 2004, je dnes možné kromě klasických paliv tankovat také vodík v plynném i kapalném stavu.
Automobily poháněné energií z palivových článků se však i přes velice optimistická prohlášení některých automobilek z dřívějších let zatím do stadia sériové výroby nedostaly. Například Mercedes, který první zkušební vůz tohoto typu vypustil na silnici už v roce 1994, počítal s tím, že v roce 2004 už budou první vlaštovky s palivovými články běžně v provozu. I když se dnes obdobná předpověď posouvá na rok 2010, je třeba uznat, že tato technologie zaznamenala značný pokrok.

obr2

Jednoduché připojení externího spotřebiče na mobilní elektrárnu mercedesu

Mercedes se snaží

První prototyp mercedesu s palivovými články, kterým byl užitkový Mercedes 100, žádné velké nadšení ale nevyvolal. Automobil byl celý zaplněn složitou technikou, vážící něco málo přes 800 kg, takže v něm bylo místo jen pro dvoučlennou posádku. Cena této „laboratoře na kolech" nabyla nikdy zveřejněna. Firma Siemens, která tehdy palivové články dodávala, uváděla, že výroba 1 kW elektrického výkonu stála v té době hodně přes 10 000 marek (180 000 korun). Vodík v tlakových nádobách na střeše si vozila také druhá studie NECAR II postavená v roce 1996 na základě Mercedesu třídy V. Do vozu s dojezdem 250 km se už vešlo 6 cestujících.
Příznivější situaci měli konstruktéři při vývoji linkového autobusu NEBUS (New Electric Bus) v roce 1997. Tady se stlačený vodík, potřebný pro výrobu elektrické energie, kterou využívaly elektromotory přímo v nábojích kol, i s regulací vešel do nádob o celkovém objemu 4500 litrů ve střeše.
Poté se palivové články přesunuly do kompaktního vozu třídy A, vznikly tak studie NECAR 3 až 5 jejichž „elektrárna" průběžně snižovala své rozměry a vodík střídal obě formy (plynnou a kapalnou). U Mercedesů třídy A a B je výhodou jejich sendvičová podlaha, kam se dnes už pohodlně vejde celá technologie výroby elektrické energie včetně vodíkových nádrží.

 

obr4

Autobus NEBUS

Jízda je jednodušší

Vývoji vozů využívajících k pohonu palivové články se věnuje řada automobilek. Z nich zajímavých výsledků dosahuje americký koncern General Motors, který s oblibou demonstruje schopnosti tohoto druhu pohonu na voze HydroGen v jeho několika vývojových stupních. Z vnějšku je k nerozeznání od modelu Opel Zafira, zachována zůstala i jeho příslovečná prostornost.
Jízda s verzí s označením 3 nejenže od řidiče nevyžaduje žádné převratné změny v návycích, je dokonce ještě jednodušší. Elektromotor je totiž s předními koly propojen přes jediný strmý převod, který elektromotoru stačí. Marně bychom tedy ve voze hledali jak řadicí páku, tak spojkový pedál.

 

obr5

HydroGen bez spojky a bez řadicí páky

Aby články nezamrzly...

A právě voda, která je vedlejším produktem výroby elektrické energie v palivových článcích, však dělá při teplotách pod bodem mrazu problémy. Její přítomnost hraje totiž ve funkci palivového článku důležitou roli. K zajištění pohybu protonů je třeba udržovat membránu mezi bipolárními deskami stále vlhkou.
Donedávna byla voda ve vzduchu, který opouštěl článek, zachycována a vstřikována zpět do vzduchu určeného pro reakci v článku. Ovšem při teplotě pod bodem mrazu palivové články zamrzaly a byly tak vyřazeny z provozu. Mercedes, u své zbrusu nové studie F600 HyGenius, proto přišel s modelem pracující jako zvlhčovač i odvlhčovač, který stará o to, aby po ukončení jízdy nezůstala ve svazcích palivových článků žádná voda, takže systém nemůže zamrznout.

Hodí se i domů

Zajímavý experiment provádí japonská Honda. Pro svoji dvacetikusovou sérii palivovými články poháněných vozů FCX jezdících v USA vyvinula domácí energetickou stanici (HES). V ní se ze zemního plynu získává vodík, který pak slouží k natankování osobního automobilu. V palivových článcích vyrobená elektrická energie najde ještě uplatnění v domácnosti, kde je využívána pro ohřev vody.
Už první generace těchto energetických stanic dokázaly během jednoho dne naplnit nádrž vozu FCX (156,6 litru) a dalších 400 litrů dodala do externího tanku, kde se vodík skladuje pod tlakem 420 barů.

obr1

Palivové články dodávají „čistou" energii nejen pro vlastní pohon automobilu,
ale je schopná zajistit dodávku elektrického proudu pro několik
rodinných domků (F600 HyGenius)

 

Použitá literatura:

[1] 21. STOLETÍ, A.L.L. production s.r.o., leden 2007