I letadla už létají na elektřinu z palivových článků

Poprvé vzlétl letoun poháněný elektrickým motorem, jemuž dodává energii chemická reakce kyslíku a vodíku v palivovém článku.

Po více než jedenapůl roce od letu je k dispozici více technických údajů. Energii pro palubní elektroniku a motor kluzáku Antares DLR-H2 vyrábí palivový článek (PČ) typu MEA (Membrane Electrode Assembly) od firmy Pemeas, dnes součásti společnosti BASF Fuel Cell (BFC), vzniklý v pilotním projektu Spolkového ministerstva hospodářství a technologie Lufo IV pro vývoj spolehlivého nezávislého zdroje energie pro ovládací systémy dopravních letadel.

Proč palivový článek a kluzák? A jakou technologii - MEA nebo HTPEM?

Pro ověření inovativní technologie byl vybrán motorový kluzák, postavený na bázi staršího motorového kluzáku Antares 20E ve spolupráci Německého centra pro leteckou a kosmickou dopravu (DLR) v Kolíně nad Rýnem a firmy Lange Aviation v Zweibrückenu. Spojení PČ s kluzákem dostalo přednost před jinými nosiči jako bezemisní a lehký systém pro budoucí letecké aplikace s nabídkou možnosti ověření v pohonu letadla ve výškách. Pokusný letoun Antares DLR-H2 s pohonem na bázi palivového článku s vysokou účinností (až 52 % je přeměňována na energii) dokáže při vodorovném letu vyvinout rychlost až asi 170 km/h a má dolet asi 750 km při době letu pět hodin.

Proti běžným nízkoteplotním PEMFC článkům z automobilových pohonů, pracujícím při teplotě 60 až 80 °C, mohou články MEA s polymerní membránou Celtec P-MEA z BASF, pracovat při teplotě 120 °C až 180 °C se vzduchovým chlazením. Nevyžadují zvlhčování a jsou velmi tolerantní k oxidu uhelnatému, přítomnému ve vodíku po konverzi metanu ze zemního plynu nebo bioplynu a po reformingu metanolu. Palivové články, označované BASF jako P-MEA nebo dánskou firmou Serenergy jako HTPEM (High Temperature Proton Exchange Membrane), jsou v podstatě subtypy článků (Proton Exchange Membrane Fuel Cell také Polymer Electrode Membrane Fuel Cell), jejichž palivem je plynný tlakový vodík. V membráně článku je polymer polybenzimidazol (PBI) dopován kyselinou fosforečnou pro vyšší protonovou vodivost, a tyto články se pro rozlišení označují jako PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell).

Polymerní membrána je kritickou komponentou článku

Na anodě palivového článku, potažené platinou jako katalyzátorem, dochází k ději, jímž se molekulární vodík rozkládá na dva vodíkové protony a dva elektrony. Protože MEA pracuje s membránou nepropustnou pro elektrony, putují elektrony vnějším proudovým okruhem, zatímco na katodě reaguje kyslík s elektrony na kyslíkové ionty a ty s vodíkovými ionty za vzniku vody a energie v podobě tepla.

Právě teplotní odolnost nejdůležitější funkční části článku, membrány Celtec z vysokoteplotního plastu PBI od americké firmy Celanese, dlouhodobě teplotně odolného do 310 °C, krátkodobě do 500 °C a příp. až do 650 °C, je její největší předností. Na membrány se používá také vysokoteplotního plastu Vectra, což je polymer z tekutých krystalů (LCP), a na uzavírací desky polyfenylensulfidu Fortron (PPS) firmy Ticona ze skupiny Celanese. BASF udává, že membrána Celtec P-MEA je konstrukčně jednodušší s dvěma třetinami dílů a o 40 % levnější proti jiným membránám.

Stack je série, sloupec, stoh nebo baterie?

Asi nejbližším přirovnáním pro význam anglického výrazu stack v oboru palivových článků, je hustě naplněná lístkovnice, kde kartotéčními lístky jsou jednotlivé články. Čeština nemá pro termín "stack" přesný ekvivalent a používá termín palivový článek jak ve významu článku anoda + elektrolyt + membrána + elektrolyt + katoda, tak ve významu baterie složené z jednoho nebo více stacků (sloupců) z desítek nebo stovek jednotlivých článků.

Podle požadovaného napětí a výkonu je pak několik stovek PČ ve vodivých grafitových obálkách o napětí 500 - 700 mV, sdruženo do stacku a stacky do baterie. Použité 4 baterie Serenus 390 Air C s hmotností 22 kg vyrobila dánská firma Serenergy a každá má 3 stacky po 89 článcích s nominálním napětím při zapojení v sérii 139 - 150 V a nominálním výkonem 3,06 - 3,3 kW . Spolu s tlakovou nádrží na vodík o tlaku 300 bar jsou baterie ve 2 aerodynamicky tvarovaných gondolách zavěšeny pod křídly. Kompaktní blok palivových článků je umístěn v gondole pod levým křídlem a nádrž na stlačený vodík s kapacitou 2 nebo 4,9 kg vodíku je zavěšena pod křídlem pravým. Blok palivových článků dodává elektrický výkon až 25 kW, letoun Antares ale potřebuje při přímém letu výkon jenom zhruba 10 kW.

Proud článku pohání elektrický bezkartáčkový motor Arcus EM42 s dvoulistou vrtulí průměru 2 m, řešený jako tlačný. Všechny elektrické díly motoru jsou upevněny na nepohyblivé části motoru, jenž má pouze 4 díly podléhající opotřebení, a to 2 kuličková ložiska a 2 těsnicí kroužky. S nízkou hladinu hluku, pouhých 48 dB (A), může startovat i z alpských letišť s přísnějšími protihlukovými předpisy. Je to jediný evropský elektrický motor certifikovaný EADS pro použití u letadel. Kluzák je konstrukčně ověřen i pro použití 4 gondol, čímž se zvýší výkon a dolet (až na 2000 km oproti 750 u současné 2gondolové verze).

Jeho optimalizace v ústavu pro aeroelasticitu DLR v Göttingenu nyní dovoluje zvýšení rychlosti až na 300 km/h bez vibrací křídel. Speciální vyztužení křídel a umístění dvou externích a vyměnitelných kontejnerů u Lange Aviation také umožní zvýšit užitečný náklad každého o 100 kg bez nepříznivého účinku na letovou stabilitu.

Aplikace se stávají předmětem podpory

Do budoucna se počítá s instalací ověřovaných PČ na velkoprostorových dopravních letadlech nejen jako zdrojů proudu pro ovládací systémy a záložních zdrojů proudu (i jako APU - Auxiliary Power Unit), ale i jako zdrojů tepla pro odmrazovací systémy nosných ploch a teplé vody pro toalety. Pro tyto aplikace budou použity poprvé v roce 2010 na zkušebním letadle DLR Airbus A320 ATRA (Advanced Testing and Research Aircraft). Zatím se zde zkouší PEM články Michelin výkonu 20 kW. Pro další výzkum se v Zweibrückenu staví již druhý letoun Antares DLR-H2. Objevuje se možnost elektrického pohonu na proud z PČ letounu HALE (High Altitude Long Endurance) - výškového experimentálního letadla s dlouhou výdrží.

Díky vysoké proudové hustotě se již jako samozřejmost berou aplikace v elektronice - kamery, notebooky, mobily a mnoho dalších o nichž ještě ani nemáme představu. Rychle se šíří palivové články GenDrive typu PEMFC v náhradách olověných trakčních baterií paletových vozíků a články GenSys jako zdroje tepla kotlů pro vytápění domácností od americké firmy Plug Power. V září byl v Německu spuštěn program Callux podporující právě instalace kotlů s PČ, jehož první fáze výrazného rozšíření trvá do roku 2012.

Ekonomicky zvýhodňuje používání PČ na vodíkový pohon americká legislativa. S účinností od 9. října 2008 platí v USA zákon o daňových úlevách až 30 % pro užití PČ a solárních zdrojů od 0,5 kW, platný do 31. 12. 2016, se stropem 3 000 USD/kW pro domácnosti a 1 000 USD/kW pro podnikání. Nejnovější podporou pro výstavbu vodíkové infrastruktury bude vyšší daňový kredit pro výstavbu čerpacích stanic na vodík, podle nového zákona z února 2009, podepsaného prezidentem Obamou. Právě podpora je asi možným důvodem spuštění závodu BASF v americkém Somersetu (New Jersey) vedle stávajícího závodu BASF Fuel Cell na výrobu membrán Celtec ve Frankfurtu nad Mohanem, navzdory krizovému roku 2009.

Budoucnost z Hamburku

Nejnovější vývoj kluzáku se bude odvíjet z Hamburku. Poté, co se partnerem programu stala společnost Lufthansa, byl kluzák přelétnut na základnu Lufthansa Technik v Hamburku, která se stane na 3 roky zkušebnou pro jeho další letové zkoušky v rámci projektu Fuel Cell Labs. Projekt uvedlo do života město Hamburk ve spolupráci s DLR a Airbus/EADS v rámci aktivit regionu velkého Hamburku ve vývoji využití vodíku a palivových článků pro velkoobjemovou dopravu. Na podzim, 17. - 18. listopadu 2010, se unikátní letoun stane hvězdou veletrhu vodíku, palivových článků a elektrických pohonů H2 Expo v Hamburku.

AUTOR: Alexandr Abušinov