Přestože je zařízení s názvem “palivový článek” součástí jednoho z nejpůsobivějších alternativních pohonů, běžný člověk o něm ví jen málo. Jedním z důvodů je jeho malá popularita a druhým neznalost technologie, která se v něm používá. Cílem tohoto článku je právě zaplnit tuto mezeru ve znalostech.

Definice palivových článků

Palivové články se nepoužívají pouze v automobilovém průmyslu. Ve skutečnosti se tato technologie v různých podobách používá ve vojenském průmyslu, v systémech blokového vytápění v elektrárnách, při výzkumu vesmíru, a dokonce i v mikroelektronice. V tomto článku se zaměříme především na automobilový průmysl, i když je užitečné začít obecným principem článku a přejít ke konkrétním příkladům.

Palivový článek je systém, který přeměňuje chemickou energii na energii elektrickou, z níž se – v případě vozidel – nakonec získává kinetická energie.

Energie využívaná v palivovém článku se nazývá chemická energie, protože jejím zdrojem jsou chemické procesy.

Základní typy článků

Než se pustíme do podrobností, je důležité zmínit, že ačkoli je vodíkový článek verzí palivového článku, jedná se o dva samostatné vynálezy.

V následujícím přehledu stručně popíšeme ty nejdůležitější.

• AFC, palivový článek s alkalickým elektrolytem: Jedná se o palivový článek používaný v automobilovém průmyslu, který ke svému provozu vyžaduje vodík a kyslík. Má provozní teplotu 80 °C, teoretickou účinnost 70 %, v praxi je to spíše 62 %.
• PEMFC, článek s membránou propouštějící protony: Jeho princip činnosti je velmi podobný principu AFC, jeho provozní teplota je také 80 °C, ale účinnost je horší: teoreticky je 68 %, ale v praxi sotva dosahuje 50 %. Setkáváme se s ním v automobilovém průmyslu, ale také v systémech blokového vytápění v elektrárnách.
• DMFC, článek s přímou methanolovou membránou: Důležitým rozdílem oproti předchozím dvěma je, že zde materiálovou dvojicí není vodík a kyslík, ale metanol a kyslík. Methanol je látka, kterou lze snadněji vyrobit, ale účinnost článku není vysoká: pouze 26 %. V mikroelektronice se s tímto zařízením setkáváme jako se zdrojem energie.
• PAFC, článek s kyselinou fosforečnou: Tato verze se také často používá jako zdroj energie; má velmi dobrou teoretickou účinnost 65 %, zatímco v praxi dosahuje 60 %, při provozní teplotě až 200 °C. Elektrolytem je koncentrovaná kyselina fosforečná, ale palivem je rovněž vodík a kyslík.
• MCFC, alkalický článek uhličitanových solí: Jeden z článků dvoustupňových ohřívačů parních turbín. Pracuje při teplotě 650 °C a lze jej použít s různými palivy, od vodíku přes zemní plyn a bioplyn až po kyslík. Má teoretickou účinnost 65 %, přičemž v praxi se pohybuje kolem 62 %.
• SOFC, keramicko-oxidový článek: Tento článek s keramickým elektrolytem z oxidu yttria a zirkonia je druhým typem článku, který se nachází ve dvoustupňových ohřívačích parních turbín. Jeho vnitřní teplota je astronomická, až 1000 °C, a rozsah používaných paliv je podobný jako u MCFC. Úroveň účinnosti je stejná: teoretická je 65 % a praktická 62 %.
  V další části tohoto článku se budeme zabývat články používanými v automobilovém průmyslu.

Princip fungování palivových článků

Již zmíněný chemický proces, který probíhá v automobilech s palivovými články, se nazývá redoxní reakce.

Jednotlivé fáze výroby energie je třeba si představit podobně, jako kdybychom zkoumali vnitřek kyselinové baterie: máme anodu, kde dochází k oxidaci plynného vodíku. To je jedna polovina procesu, při kterém vodík odevzdává elektron, který přechází vnějším obvodem do katody, čímž vzniká elektrický proud.

Druhá polovina procesu probíhá na katodě. Zde probíhá redoxní reakce, kde se kyslík, výše zmíněný kladně nabitý vodíkový iont a elektron spojí a nakonec se přemění na vodu.

Díky soustavě katalyzátorů ztrácí vodík svůj elektron. Výběr materiálu pro anodu a katodu se může lišit v závislosti na účelu – například anodová elektroda se často vyrábí z platiny, zatímco katoda z niklu. Průchod vodíkových iontů od anody ke katodě umožňuje elektrolyt mezi oběma elektrodami, který propouští pouze ionty, nikoli elektrony.

Aspekty automobilového průmyslu

Ačkoli NASA aktivně využívá palivové články již od 60. let 20. století, historie tohoto zařízení v automobilovém průmyslu je mnohem mladší. Faktem je, že Chevrolet vyvinul vůz Electrovan již v roce 1966, ale k sériové výrobě nikdy nedošlo. V září 1999 Honda uvedla na trh model FCX-V1, který poprvé zpřístupnil automobil s palivovými články široké veřejnosti.

Od té doby se o něj pokusila řada výrobců, ale v Evropě jsou v současné době k dispozici pouze dva modely: Toyota Mirai (2015-) a Hyundai Nexo (2018-). V další části se budeme zabývat tím, proč je tento seznam tak skromný.

Výhody a nevýhody palivových článků

Vývojáři si rychle uvědomili příznivé vlastnosti palivového článku:

• žádné pohyblivé části – spolehlivý provoz
• není citlivý na změny teploty
• nízká hmotnost, kompaktní rozměry
• žádné škodlivé emise

Z hlediska automobilového průmyslu je třeba také poznamenat, že technologie baterií v elektromobilech umožňuje dojezd kolem 600 kilometrů. Tento výkon předvedla Toyota Mirai již v roce 2015 a od té doby se na něm mnoho nezměnilo. Není pochyb o tom, že palivové články mají v této oblasti stále velký potenciál. Zajímavé je také to, že doplňování paliva nevyžaduje výrazně delší dobu ve srovnání s automobilem se spalovacím motorem. To je vedle technologie další důležitý bod.

Nyní vyvstává otázka: proč jsou palivové články zatím tak vzácné?

Odpověď: jejich výhody s sebou nesou i značné nevýhody.

Skladování vodíku je stejně komplikované jako u elektřiny a jeho výroba je také problematická.

Mnohem palčivějším problémem však je, že suroviny pro palivové články jsou astronomicky drahé, takže samotné vozidlo není cenově konkurenceschopné. Druhým výrazným problémem je chybějící nabíjecí infrastruktura. V současné době evropské země podnikají kroky k instalaci vodíkových jímek, což však znamená vyšší jednotkové náklady než instalace dobíjecích stanic pro elektromobily.

Vyřešením posledních dvou nedostatků se automobily s palivovými články stanou pro trh mnohem zajímavějšími. Bude jen zajímavé sledovat, jak rychle se podaří tyto technologie rozvinout.