22 let na trhu autoopravárenství

Budoucnost je tady – 8

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 11/2017.

 

<cervena>

Na aktuální téma

Alternativní pohony

 

Zpracoval: Luboš Švamberg

Foto: archiv společnosti Toyota

 

Budoucnost je tady – 8 (osmicka je osmy dil)

 

Vzdálená diagnostika, konektivita, komfortní systémy, autonomní řízení, alternativní pohony vozidel a také ekologie nebo měření emisí – to jsou oblasti, o kterých se stále více mluví i píše. Rozhodli jsme se proto, že tyto informace budeme v pravidelném seriálu přinášet i vám, našim čtenářům.

 

Neustálý nárůst výroby automobilů vede k vyšší spotřebě fosilních paliv, což se, jak známo, negativně projevuje na klimatických změnách – globálním oteplování a znečištění ovzduší. Jednou z cest, jak tuto ekologickou zátěž snížit, je další vývoj konstrukce motorů na fosilní paliva směřující k rapidnímu snížení jejich spotřeby. Další možností jsou vozidla s alternativními pohony (elektromobily, hybridní vozidla, vozidla s palivovými články…).

 

První dvě skupiny se pomalu začínají rozšiřovat a jejich koncepce je poměrně známá. Na trhu se objevil i zástupce třetí skupiny – vozidlo poháněné palivovými články. Prvním sérovým vozidlem se stal model Mirai, který po dlouhodobém vývoji uvedla na trh společnost Toyota Motor Corporation. Technické řešení tohoto vozidlo budoucnosti se zcela ojedinělým pohonným systémem vám představíme v tomto článku.

 

<M> Vodík

Vůz poháněný palivovými články (FCV) spotřebovává vodík namísto benzinu či nafty. Přesněji řečeno jej pohání elektromotor, který využívá pro pohon elektřinu vyráběnou chemickou reakcí vodíku a kyslíku v palivovém článku ve vozidle.

 

<do ramecku nakam na zacatku clanku>

Vodík:

  • Je nejlehčí plyn na naší planetě, bezbarvý, nejedovatý, bez chuti a zápachu.
  • Slučuje se s kyslíkem a vytváří vodní páru, přičemž produkuje elektrickou energii, nevznikají proto žádné emise CO2.
  • Na rozdíl od CO2 nepohlcuje infračervené záření, a nemá tedy žádný vliv na globální oteplování.
  • Lze jej zkapalnit za teploty cca –253 °C.

<konec ramecku>

 

Vodík potřebný k pohonu lze vyrábět z mnoha různých přírodních zdrojů i vedlejších produktů lidské činnosti, jako jsou např. odpadní kaly. Může se také získávat z vody za použití obnovitelných zdrojů energie (sluneční energie, energie získané z větru). Po stlačení pak vodík vykazuje vyšší energetickou hustotu než akumulátory, poměrně snadno se ukládá i přepravuje.

 

<M> Palivové články TFCS (Toyota Fuel Cell System)

Sadu palivových článků FC Stack si můžete představit jako malou stanici vyrábějící elektřinu. Od klasických akumulátorů se odlišuje tím, že elektřinu dokáže pomocí chemické reakce vodíku a kyslíku vůz Mirai vyrábět beze ztráty výkonu. Účinnost přeměny paliva na energii je zde oproti zážehovým motorům dvojnásobná. Jedinou podmínkou je nepřetržitá dodávka kyslíku a vodíkového paliva.

 

Sada palivových článků ve vozech FCV představuje zařízení, které produkuje energii z přiváděného „paliva“ (ačkoli palivový článek jej technicky vzato nespaluje), čímž plní stejnou roli jako spalovací motor u hybridního vozidla.

Díky měniči napětí, který napětí získané z palivových článků zvyšuje na 650 V, je možné dodávat elektromotoru vyšší napětí, a tak snížit počet palivových článků i hmotnost a objem celé soustavy.

 

<M1> Princip funkce

Nejmenší jednotka palivové sestavy (článek) se skládá z elektrolytické membrány, dvojice elektrod (záporné a kladné) a dvou přepážek. Přestože každý z článků pracuje jen s velmi malým napětím (1 V či méně), vysoký výkon potřebný k pohonu vozidla se získává zapojením několika stovek článků do série, kdy se napětí sčítá. Takto pospojované články tvoří sadu palivových článků (FC Stack).

 

V případě palivového článku se elektřina vyrábí slučováním vodíku a kyslíku. Vodík se dodává na zápornou elektrodu, kde jeho molekuly aktivuje katalyzátor, přičemž se uvolňují elektrony. Elektrony uvolněné z vodíku putují od záporné elektrody ke kladné za současné výroby elektřiny. Molekuly vodíku po uvolnění elektronů se mění na vodíkové ionty, které se pohybují směrem ke kladné straně, přičemž procházejí přes polymerovou elektrolytickou membránu. Na kladné elektrodě se společným zapojením katalyzátoru, kyslíku, vodíkových iontů a elektronů uvolňuje voda.

 

<M> Nádrže na vodík ve vozidle

Vodík se do nádrže vozidla tankuje podobně jako fosilní paliva. Vysokotlaké vodíkové zásobníky jsou vyrobeny z kompozitních materiálů. Stěny tvoří trojice vrstev. Vnitřní vrstva je z plastu a zaručuje dokonalou těsnost zásobníku. Další vrstva vyrobená z kompozitu vyztuženého uhlíkovými vlákny zabezpečuje odolnost vůči vysokému tlaku. Vnější vrstvou je kompozit vyztužený skelnými vlákny, který chrání zásobník před mechanickým poškozením – skelná vlákna použitá na jeho výrobu umožnila omezit použití velmi nákladných uhlíkových vláken o 40 % a tak efektivně snížit cenu komponent při zachování potřebné pevnosti.

 

<M> Ekologická budoucnost

Automobily na palivové články vykazují vysokou energetickou účinnost, nabízejí dlouhý jízdní dosah, umožňují rychlé doplnění paliva a za jízdy produkují pouze čistou vodu. Jsou ekologickou technologií s ohromným potenciálem.

 

Tato vozidla však zároveň vyžadují speciální infrastrukturu v podobě vodíkových čerpacích stanic. Společnost Toyota proto započala již v roce 2015 s budováním potřebné infrastruktury po celém světě. Praktické využití této příležitosti pak bude klíčem, jenž rozhodne o budoucím úspěchu či neúspěchu vozů FCV.

 

Při zpracování byly použity materiály společnosti Toyota Central Europe – Czech s.r.o.

 

PALIVOVÝ ČLÁNEK
Označení

Typ článku

Výkon článku

Výkonová hustota

 

Články

 

 

Toyota FC Stack

Pevný polymerní elektrolytický palivový článek

153 HP (114 kW)

Vztaženo k objemu: 3,1 kW/L

Vztaženo k hmotnosti: 2,0 kW/kg

Tloušťka článku: 1,34 mm

Hmotnost článku: l02 g

Celkový počet článků: 370

ELEKTROMOTOR
Typ

Maximální výkon

Maximální točivý moment

Synchronní motor – střídavé napětí

151 k (113 kW)

335 Nm

VODÍKOVÉ NADRŽE
Metoda uložení média

Počet nádrží

Materiál

Běžný plnicí tlak

Hmotnost uloženého paliva

Čas tankování

Vysokotlaké nádrže z karbonového vlákna

2 (60,0 l přední + 62,4 1 zadní nádrž)

Třívrstvá struktura

70 MPa

Přibližně 5 kg

Asi 5 minut

AKUMULÁTOR
Typ Niklmetalhydridový
MĚNIČ NAPĚTÍ (BOOSTER)
Počet fází

Napětí

Objem

4

650 V

131

SPOTŘEBAPALIVA
Kombinovaná spotřeba (přepočet) 3,5 l/100 km
JÍZDNÍ VÝKONY
Dojezd

Maximální rychlost

Zrychlení 0–100 km/h

Součinitel odporu vzduchu (CX)

Garantovaný start (pal. článek)

500 km

177 km/h

9,0 s

0,29

–30 °C

<tabulku prosim nekam na zaver>

Tabulka 1: Technická data vozu Toyota Mirai.

 

 

<Popisky Obr.:>

Obr. 1. Funkce palivového článku.

 

Obr. 2. Funkční princip vodíkového palivového článku vozidla Toyota Mirai.

 

Obr. 3. Schéma elektrického pohodnu s vodíkovými palivovými články.

 

Obr. 4. Umístění palivových článků a měniče napětí ve vozidle Mirai.

 

Obr. 5. Řez vysokotlakým vodíkovým zásobníkem.

 

Obr. 6. Obvodový a diagonální plášť zásobníku je vyroben z uhlíkových a skleněných vláken.

 

Obr. 7. Zásobníky Toyoty Mirai umožňují skladování vodíku o tlaku až 70 MPa. Celkový objem dvojice nádrží je 122,4 litru vodíku (vpředu 60 litrů, vzadu 62,4 litru).

 

Obr. 8. Části pohonné soustavy vozidla Toyota Mirai.