Ako funguje palivový článok na vodík a z čoho sa vodík vyrába?

Palivový článok na vodík sa považuje za sľubnú technológiu budúcnosti. Vodíkový pohon bol objavený už v 19. storočí, no jeho praktické uplatnenie naráža na viaceré obmedzenia. Všadeprítomný vodík sám o sebe nie je zdrojom energie. Tú z neho možno iba vyrobiť, čo významne ovplyvňuje celkovú energetickú účinnosť aj ekonomickú nákladnosť celého procesu.

V tomto článku sa dozviete:

• na akom princípe funguje palivový článok na vodík
• ako sa vyvíjali palivové články a aké typy vodíkových článkov poznáme
• ako funguje auto na vodík
• aká je cena palivových článkov a vodíka
• z čoho sa vyrába vodík do palivových článkov

Čo je palivový článok na vodík

Vodík je najjednoduchší a zároveň tretí najčastejšie sa vyskytujúci chemický prvok v prírode. Jeho všadeprítomnosť ako paliva by znamenala čistú a lacnú energiu. Je tu však problém.

Vodík sa nevyskytuje samostatne, ale je viazaný spolu s inými látkami. Na jeho odseparovanie je potrebná energia. No a tej je potrebné rovnaké množstvo, aké je následne z vodíka možné ďalej vyrobiť. Inými slovami, vodík ako palivo je energeticky neutrálny.

Nevýhodou vodíka je jeho uskladňovanie. Vodík vo forme stlačeného plynu sa skladuje vo veľkých a ťažkých oceľových nádržiach. Výhrevnosť vodíka vzhľadom k objemu je zhruba 24-krát nižia ako pri kvapalných ropných produktoch. Kvapalný vodík má síce väčšiu hustotu, ale vyžaduje dobrú izoláciu pre uchovávanie v chladných podmienkach.

Palivový článok je vlastne elektrochemický reaktor, ktorý premieňa chemickú energiu paliva a oxidanta priamo na elektrinu. Výraz palivový článok sa začal nedávno používať najmä v súvislosti s reaktormi, kde je vodík hlavným zdrojom energie. O vodíku sa už dlho uvažuje ako vhodnom palive v doprave. Pred vyše 200 rokmi sa použil vodíkový pohon v prvých spaľovacích motoroch.

Táto cesta sa však ukázala ako nerealizovateľná. Dôvodom boli obavy z bezpečnosti (vodík je vysoko výbušný) a nízka energetická hustota. V súčasných palivových článkoch predstavuje vodík nosič energie, ktorý pri reakcii s kyslíkom produkuje elektrinu.

Táto reakcia je jednoduchá z chemického hľadiska. Vodík a kyslík vstupujú do palivového článku oddelene. Vodík prichádza do jednej elektródy – anódy, kyslík do druhej elektródy s opačným elektrickým nábojom -katódy. Tieto dve elektródy oddeľuje materiál nazývaný elektrolyt. Elektrolyt funguje ako filter zabraňujúci priamemu zmiešaniu oboch reaktantov. Zároveň usmerňuje, ako sa nabité ióny, vytvorené počas reakcií v článku, navzájom k sebe priližujú.

Obrázok: Schéma fungovania palivového článku na vodík

Molekuly vodíka vstupujú najskôr do anódy palivového článku. Následne reagujú s katalyzátorom pokrývajúcim anódu, čím sa uvoľňujú elektróny a vznikajú ióny vodíka s pozitívnym nábojom. Tieto vodíkové ióny prechádzajú elektrolytom až ku kyslíku v druhej elektróde (katóde).

A čo s uvoľnenými elektrónmi, ktoré sa nedokážu dostať cez elektrolyt? Ich prúd je nasmerovaný do elektrického obvodu a vytvárajú tak elektrickú energiu vodíkového palivového článku. Katalyzátor v katóde spôsobuje, že vodíkové ióny a elektróny sa viažu na kyslík zo vzduchu a vzniká vodná para. Jediný vedľajší produkt celého procesu.

História a vývoj palivového článku na vodík

Palivový článok na vodík nie je žiadnou technologickou novinkou. Začiatky siahajú do roku 1839, kedy zariadenie zostrojil vedec z Walesu William Grove. Prvýkrát sa palivové články v autách výraznejšie dostali do pozornosti v 70. rokoch v čase tzv. “ropnej krízy”. Začala sa hľadať alternatíva k fosílnym palivám.

Mnohé automobilky sa v nasledujúcich dekádach snažili v rôznej intenzite priniesť na trh auto s vodíkovým pohonom. V roku 2014 sa to podarilo japonskej Toyote a vodíkový motor sa tak začal považovať za jednu z reálnych možností budúceho vývoja mobility. O rok neskôr nasledoval prvý vodíkový model značky Hyundai.

Vývoj technológie prebieha vo viacerých krajinách sveta, napríklad v Číne, Japonsku, USA, aj v niektorých európskych krajinách. Je však závislý na štátnych grantoch, čo svedčí o tom, že na trhu mobility sa vodíkový pohon nedokáže zatiaľ ekonomicky presadiť.

O rozmachu používania palivových článkov na vodík sa hovorilo už v 90. rokoch minulého storočia. A hoci vývoj technológie v niečom pokročil, aj v súčasnosti platia rovnaké prekážky – nízky výkon, obmedzená životnosť palivových článkov, vysoké náklady na ich výrobu a vysoká cena vodíka.

Z čoho sa vyrába vodík do palivového článku?

Vodík pre palivový článok možno vyrobiť z viacerých zdrojov energie a rôznymi postupmi. Prevládajúcim zdrojom v týchto dňoch sú fosílne palivá, z ktorých pochádza až 96 % celosvetovej produkcie vodíka. Takmer polovicu tvorí zemný plyn, 30 % uhľovodíky v podobe rôznych ropných produktov a 18 % vodíka sa vyrába z uhlia. Iba 4 % vodíka pochádzajú z elektrolýzy vody.

Ročne sa vo svete vyrobí zhruba 70 mil. ton čistého vodíka, väčšina sa používa v rafinérskom a výrobnom priemysle (napríklad pri výrobe čpavku). Pri produkcii palivových článkov pre vodíkové vozidlá sa spotrebuje iba zanedbateľných 10-tisíc kilogramov vodíka ročne.

Prečo sa väčšina vodíka nevyrába čistejším elektrolytickým procesom? Dôvodov je niekoľko:

1. Najväčšie uplatnenie vodík nachádza už dlhodobo v priemysle, použitie v doprave a v palivových článkoch je minimálne.
2. Aj v súvislosti s predchádzajúcim dôvodom doteraz neexistovalo väčšie zameranie na “čistú” energiu, vrátane vodíka.
3. Hoci elektrolýza vody funguje na jednoduchom princípe, v porovnaní s ostatnými spôsobmi výroby je príliš drahá v súčasnosti. Elektrickú energiu treba najskôr vyrobiť, čo znižuje celkovú účinnosť výroby vodíka. Ak by takáto elektrina pochádzala z nadbytočnej produkcie obnoviteľných zdrojov (najmä vetra a slnka), účinnosť by podstatne vzrástla.

Tabuľka č.1:

Zdroje pri výrobe vodíka sa líšia podľa regiónov sveta. Až 95 % vodíka v USA sa vyrába zo zemného plynu, pretože je to v súčasnosti najlacnejší zdroj energie v krajine. Najväčším výrobcom vodíka na svete je Čína. V roku 2017 sa tu vyrobilo 19 mil. ton vodíka. Takmer dve tretiny pochádzali z uhlia alebo koksu. Avšak význam obnoviteľných zdrojov rastie aj v ázijskej krajine. Tamojšia vodíková aliancia chce dosiahnuť cieľ 70 % produkcie vodíka z OZE do roku 2050.

V Európe sa produkuje zhruba jedna pätina celosvetovej produkcie vodíka. Prevládajúcim zdrojom sú fosílne palivá (94 %), viac ako polovica pochádza zo zemného plynu, takmer tretina z ropy a 9 % z uhlia. Aj tu existujú snahy o používanie “čistých” zdrojov produkcie, kľúčom má byť elektrolytický proces.

Základné technológie pri výrobe vodíka

Existuje viacero základných technologických procesov pre výrobu vodíka:

• chemický proces, kam patrí premena pary, čiastočná oxidácia, splyňovanie a krakovanie.
• biologický proces
• elektrolytický proces
• fotolytický proces
• termochemický proces

Charakteristika jednotlivých technologických postupov pri výrobe vodíka je znázornená v priloženej tabuľke. Celosvetovo najvyzretejším, najekonomickejším a najbežnejším spôsobom výroby vodíka je prostredníctvom zemného plynu.

Tabuľka č.2:

Riešenia založené na palivovom článku nachádzajú uplatnenie aj pri výrobe tepla a elektriny. Napríklad spoločnosť Viessmann ponúka mikrogeneračnú jednotku vhodnú najmä pre nové rodinné domy. Zariadenie zahŕňa zároveň aj plynový kondenzačný kotol, ktorý sa spúšťa pri zvýšených nárokoch na dodávku tepla.

Avšak podobne ako pri iných zariadeniach s vodíkovým pohonom, aj tu je hlavnou prekážkou masovejšieho používania vysoká cena. Hoci je plyn najmenej emisným fosílnym palivom, snahy o “zelenú” produkciu vyvolávajú pochybnosti o udržateľnosti tohto zdroja. Za taký sa považuje elektrolýza, avšak aj tu závisí od “čistoty” zdroja elektriny.

Cena palivového článku na vodík

Cena vodíkových palivových článkov je v súčasnosti vysoká. Potvrdzuje to aj štúdia spoločností Deloitte a Ballard, porovnávajúca celkové náklady na prevádzku áut s vodíkovým pohonom, elektromobilov a spaľovacích vozidiel. Tieto náklady pri vodíkových autách boli v roku 2019 zhruba o 40 – 90 % vyššie než pri elektromobiloch a tradičných autách.

Počiatočné náklady na obstaranie vodíkových vozidiel sú vyššie hlavne z dôvodu vysokej ceny systému palivových článkov. Ostatné komponenty sú tiež nákladné kvôli nedostatočným úsporám z rozsahu. Vysoké prevádzkové náklady vodíkových áut súvisia predovšetkým s cenou vodíkového paliva.

Tabuľka č.3:

Avšak budúcnosť vodíkových článkov v autách vidia autori štúdie optimisticky. Zlom by mal nastať už v ďalšej dekáde. “Celkové náklady by mali byť nižšie ako pri elektromobiloch od roku 2026, o rok neskôr prekonajú aj spaľovacie autá. Odhadujeme, že v priebehu nasledujúcich desiatich rokoch celkové náklady klesnú o 50 %.”

Výhodou palivových článkov má byť nenáročnosť na suroviny a rastúce úspory z rozsahu. Pokles prevádzkových nákladov vodíkových áut má nastať hlavne v dôsledku klesajúcej ceny vodíka v budúcnosti. Získavanie vodíka v súčasnosti je komplikovaný, energeticky neefektívny a nákladný proces. To sa môže zmeniť ďalším rozvíjaním obnoviteľných zdrojov energie a využívaní prebytkovej produkcie z vetra a slnka.

Ako funguje auto na vodík

Auto na vodíkový pohon znie na prvé počutie ako veľmi komplikovaná záležitosť. Pri pohľade na jednotlivé súčasti však takéto vozidlá nie sú konštrukčne náročné. Aj preto sa technológia palivových článkov na vodík používa v v rôznych typoch vozidiel.

Z čoho sa auto na vodíkový pohon skladá? Na akom princípe fungujú jednotlivé časti vodíkového auta? Vysvetlenie v nasledujúcich riadkoch.

Auto na vodík pozostáva zo štyroch základných komponentov, rovnako ako pri iných autách:

• hnací systém
• podvozok
• elektronika
• karoséria

Hnacia časť zabezpečuje elektrinu pre pohon auta prostredníctvom palivového systému a elektromotora. Túto elektrinu si, na rozdiel od batériových elektromobilov, musí auto vyrobiť samo. K tomu slúžia práve vodíkové palivové články, kde prichádza vodík skladovaný v tlakovej nádobe vo vozidle.

Obrázok č.2: Porovnanie hnacieho systému vodíkového auta a elektromobilu

Výsledkom elektrochemickej reakcie za prispenia kyslíka je elektrická energia, ktorá putuje do batérie poháňajúcej elektrický motor. Batéria vodíkových áut má oveľa nižšiu kapacitu ako batéria elektromobilov. Je to preto, že v tomto prípade slúži iba na vyrovnávanie výkonu palivových článkov.

Hoci batérie elektromobilov sa vyznačujú vyššou energetickou účinnosťou, táto výhoda oproti vodíkovému pohonu sa stiera vysokou hmotnosťou. To sa prejavuje predovšetkým v nákladných autách pri diaľkovej doprave. Napríklad batérie elektrického nákladiaku Tesla vážia až 4,5 tony.

Parameter energetickej hustoty je tak výhodnejší pri vodíkovom pohone. Zatiaľ čo z kilogramu vodíka možno získať 120 MJ energie, z rovnakej hmotnosti batérie iba 5 MJ.

Ostatné časti vodíkového auta sú rovnaké ako pri iných vozidlách a nezávisia od typu paliva. Systém palivových článkov pozostáva zo súboru jednotlivých článkov a pomocných systémov. Ako je vidno aj na obrázku, hlavným komponentom je súbor vodíkových palivových článkov. Chemická energia sa v nich premieňa na elektrickú a tá zabezpečuje pohon auta. Princíp fungovania palivového článku je opísaný vyššie.

Podporné systémy pomáhajú zabezpečovať stabilnú a efektívnu prevádzku palivového systému. Prívod vodíka a vzduchu do palivových článkov, riadiaci systém pre vodu a teplo. Elektrina z palivového článku prechádza cez centrálnu riadiacu jednotku (PCU) do elektrického motora. Batéria zabezpečuje poskytovanie dodatočnej elektriny v prípade potreby.

Rovnako ako elektromobil, aj auto na vodíkový pohon premieňa elektrickú na kinetickú energiu prostredníctvom elektromotora. Dieselové a benzínové vozidlá menia tepelnú energiu na pohybovú spaľovaním paliva v spaľovacom motore.

Hlavný rozdiel medzi vodíkovým vozidlom a elektromobilom je v zdroji elektriny. Pri elektromobiloch pochádza všetka elektrina z batérie, ktoré je nutné externe dobíjať v nabíjacích staniciach. Vodíkové auto elektrinu dokáže vyrobiť z vodíka. Skladovacie kapacity pre vodík vo vozidle sú aj v tomto prípade obmedzené, no dojazd oproti elektromobilom je vyšší.

Komerčnému používaniu osobných áut na vodík bráni v súčasnosti vysoká obstarávacia cena ako aj nedostatočná infraštruktúra na dopĺňanie paliva. Aj preto sa častejšie v praxi vodíkový pohon používa pri vysokozdvižných vozíkoch, autobusoch, či ľahších a stredne ťažkých nákladných autách.

Porovnanie najčastejších typov palivových článkov na vodík

Palivové články možno rozdeliť na viacero typov podľa používaného elektrolytu. K najpoužívanejším patrí palivový článok s polymérnou membránou (PEM), alkalický palivový článok (AFC), palivový článok s kyselinou fosforečnou (PAFC), palivový článok s pevnými oxidmi (SOFC), palivový článok s tavenými uhličitanmi (MCFC).

V komerčnej praxi je najpoužívanejším palivový článok s polymérnou membránou. Hlavne z dôvodu nízkej prevádzkovej teploty v rozmedzí 50 – 100 °C, krátkeho nábehu a využívania jednoduchého oxidantu v podobe kyslíka zo vzduchu. Tieto vlastnosti PEM palivového článku ho predurčujú na využívanie v doprave. Aj preto sa vývoj áut na vodíkový pohon začal zrýchľovať od 90. rokov.

© PROPERTY & ENVIRONMENT s. r. o. Autorské práva sú vyhradené a vykonáva ich vydavateľ.