Palivové články – energie z vodíku

Již po několik desetiletí se objevují myšlenky na využití vodíku jakožto energetického média. Pro výrobu elektrické energie se obvykle uvažují elektrochemické palivové články. Ty obsahují dvě elektrody, kladnou a zápornou, a vhodný elektrolyt. Pro použití ve vozidlech a pro přenosné přístroje se dnes za nejvhodnější považují články membránové, obsahující polymerní iontoměničové membrány. Po teoretické stránce jsou palivové články dostatečně prozkoumány. Jejich masovému použití zatím brání jejich značná cena.

V České republice se výzkumem a vývojem v této oblasti zabývá několik skupin. Skupinu na Ústavu anorganické chemie AV ČR vede doc. Ing. Jiří Vondrák, DrSc. a skupinu na Ústavu elektrotechnologie FEI VUT Brno vede Ing. Marie Sedlaříková, CSc. Tyto dvě skupiny úzce spolupracují na řadě výzkumných projektů, mezi něž patří právě hledání co nejlevnějších a přitom účinných materiálů pro palivové články. Dále je to skupina na Ústavu anorganické technologie VŠCHT Praha (vedoucí doc. Ing. Karel Bouzek, CSc.), která zkoumá iontoměničové membrány. Spíše inženýrskými otázkami se zabývá Technologické centrum Akademie věd. Výroba iontoměničových membrán pro různé aplikace včetně jejich možného použití v palivových článcích je ve výrobním programu firmy MEGA Ralsko, a.s. a kusová výroba palivových článků se uskutečňuje v podniku ASTRIS s.r.o., Benešov.
V souvislosti s úvahami o využití palivových článků jakéhokoli druhu je třeba upozornit na několik okolností. Především, dokonale pracující palivový článek mění 100 % energie obsažené v palivu na »ušlechtilou« energii elektrickou a odpadní teplo při tom nemá vznikat. Palivové články mají proto vysokou účinnost a počítat s odpadním teplem vzniklém při jejich provozování není příliš reálné. V tomto ohledu se palivové články liší od spalovacích motorů a parních systémů, jejichž účinnost je výrazně menší kvůli odvodu tepla do okolí ve výfuku a chlazení. Tento odvod tepla do okolí nebo do výfuku plyne z obecných fyzikálně chemických zákonů – především termodynamických – a je příčinou toho, že účinnost jakéhokoli systému užívajícího teplo jako prostředníka pro výrobu energie nemůže překročit 30 – 40 %.
Druhou závažnou otázkou je dostupnost vodíku. Ten pro použití v palivových článcích musí být poměrně čistý, prostý nečistot i vědomě přidávaných příměsí. Například nelze do vodíku přimísit látky, které by svým zápachem prozradily únik tohoto hořlavého plynu do okolí podobně jako se to činí s topným plynem.
Technologicky a ekonomicky únosných zdrojů čistého vodíku není velký výběr. Buď můžeme vodík vyrábět elektrolýzou, nebo chemickou přeměnou fosilních uhlíkatých paliv. Elektrolýza je sama spojena se ztrátami zhruba 25 % a není naděje na další zvýšení energetické účinnosti tohoto procesu. Připočteme – li další ztrátu energie v palivovém článku o účinnosti rovněž 75 %, obdržíme celkovou účinnost pouhých 54 %. Uskladňování energie ve vodíku je proto velice nehospodárné. Ani to mnohokrát probírané vyrovnání večerních špičkových odběrů už dnes nepředstavuje tak velký problém. Tato špička se v důsledku otáčení Země posouvá a při dnešní globální nebo alespoň evropské energetické soustavě nepředstavuje přelévání energie z jednoho konce kontinentu na druhý žádný problém a je spojeno jen s několika procenty ztrát energie.
Elektrickou energii pro elektrolýzu bychom museli čerpat z jaderných zdrojů, pokud bychom chtěli omezit produkci spalin. Tepelné elektrárny totiž kromě ztrát v mezích 60 až 70 % (odpovídajících energetické účinnosti 30 – 40 %) totiž jakákoli paliva přeměňují na oxid uhličitý, jehož by lidstvo mělo produkovat mnohem méně. Ale ani chemicky vyrobený vodík není v tomto ohledu ekologicky nezávadný. Pokud totiž k výrobě vodíku používáme jakékoli uhlíkaté palivo – ať uhlí, ropu nebo zemní plyn – je nevyhnutelným vedlejším produktem zase oxid uhličitý. Takže auta na palivové články jsou ekologicky »čistá« jen potud, že oxid uhličitý se neuvolňuje přímo ve městech, ale v chemických provozech.