Samochody napędzane wodorem - jak to działa?

Wodór może być wykorzystywany do napędzania samochodów na dwa sposoby. Można go stosować jako paliwo w tradycyjnym silniku, które ulega spalaniu w komorze, bądź też wykorzystywać w ogniwach paliwowych do wytworzenia energii napędzającej silnik elektryczny. Energia wiązania wodoru i tlenu w cząsteczce wody H2O jest mniejsza niż łączna energia wiązania cząsteczek wodoru H2 i tlenu O2.

Dlatego też podczas reakcji wiązania wodoru i tlenu w cząsteczki wody, wytwarzany jest nadmiar energii. Może być on odprowadzany z układu w postaci ciepła (które jest przetwarzane na energię mechaniczną w silniku spalinowym), lub w postaci energii elektrochemicznej (w ogniwach paliwowych).

Podstawowym problemem w przypadku stosowania wodoru w silnikach tłokowych jest przedwczesny zapłon. Przyczynami tego są przede wszystkim bardzo niska energia zapłonu wodoru oraz szeroki zakres granic palności. Oprócz tego, spalaniu wodoru w powietrzu towarzyszy wytwarzanie niewielkich ilości tlenków azotu. Przykładem zastosowania takiego rozwiązania może być BMW Hydrogen Serii 7. Kolejną wadą w tym przypadku jest zastosowanie płynnego wodoru do magazynowania.

Co prawda w stanie ciekłym zajmuje on aż 846 razy mniejszą objętość niż w stanie gazowym przy temperaturze 0 stopni Celsjusza i ciśnieniu 1 atm, ale pochłania bardzo duża energii przez co musi być ochładzany do temperatury -253 stopni Celsjusza. Samochód nie może więc stać długo bez uruchamiania. Szacunkowo po ok. 9-14 dniach wodór rozgrzeje się do tego stopnia, że zamieni się w gaz i ulotni się ze zbiornika.

W samochodach, które stosują ogniwa paliwowe wykorzystywane są zbiorniki do magazynowania sprężonego wodoru. Cylindrycznym kształtem przypominają te używane do paliw LPG. Konstrukcyjnie są jednak znacznie bardziej zaawansowane pod względem użytej technologii. Wewnętrzna warstwa wykonana jest z aluminium lub stali (ok. 20 proc. całkowitej masy), natomiast z zewnątrz całość jest oblana tworzywem kompozytowym.

Dzięki temu mają dużą odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz stosunkowo niewielką masę. Przykładowo w Hondzie FCX Concept użyto 171-litrowego zbiornika, w którym gaz przechowywany jest pod ciśnieniem 35 MPa. Na pełnym zbiorniku samochód jest w stanie przejechać 569,7 km.

Schemat działania samochodu z ogniwem paliwowym jest stosunkowo prosty. W pierwszym etapie wodór zostaje doprowadzony ze zbiornika do ogniwa, gdzie dostarczane jest także powietrze, najczęściej z wykorzystaniem turbosprężarki. Następnie odbywa się transmisja prądu (prądu stałego) z ogniwa do przetwornicy trakcyjnej, gdzie zamieniany jest on na prąd zmienny i przekazywany dalej do silnika indukcyjnego. Ostatnim etapem jest przekazanie momentu obrotowego na koła samochodu.

Najważniejszym elementem całego układu są oczywiście ogniwa paliwowe. Są to urządzenia elektrochemiczne, które wytwarzają energię użyteczną (elektryczność, ciepło) w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Ogniwo zbudowane jest z dwóch elektrod: katody i anody. Rozdzielone są one elektrolitem lub membraną elektrolityczną. Umożliwiają one przepływ kationów, natomiast blokują przepływ elektronów.

Wodór dopływający do anody ulega tam rozbiciu na protony i elektrony. Pierwsze mogą swobodnie przedostać się przez elektrolit do katody, do której doprowadzane jest powietrze. Natomiast przepływ elektronów do katody odbywa się zewnętrznym obwodem powodując wytworzenie prądu elektrycznego. W wyniku tej elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda oraz ciepło.

• Reakcja jaka zachodzi na anodzie: H2 = 2Hsup+/sup + 2esup-/sup
• Reakcja zachodząca na katodzie: ½ O2 + 2Hsup+/sup + 2esup- /sup= H2O
• Sumarycznie można to wyrazić w następujący sposób: H2 + ½ O2 = H2O czemu towarzyszy wydzielenie się ciepła oraz energii elektrycznej.

Istnieje bardzo wiele rodzajów ogniw paliwowych. Jednym z kryteriów wg. którego można je podzielić jest temperatura, jako że niektóre ze stosowanych substancji mają bardzo dobre właściwości elektrolityczne w wysokich temperaturach. Wyróżniamy więc ogniwa paliwowe wysoko-temperaturowe oraz nisko-temperaturowe.

Praca tych pierwszych odbywa się w temp. ok. 600 stopni Celsjusza. Można w nich wykorzystywać wodór o niskiej czystości jak również niektóre węglowodory jak metan. Inną zaletą jest ich wysoka wydajność. Niestety największą wadą jest duża bezwładność czasowa ogniwa, nie można go uruchomić błyskawicznie przez co nie stosuje się ich raczej w przemyśle samochodowym.

Do napędu samochodów służą ogniwa nisko-temperaturowe. Pracują one w temperaturach niższych niż 250 stopni Celsjusza ale wymagany jest niestety czysty wodór. Nie potrzeba za to stosowania termoodpornych materiałów co przekłada się na bezpieczeństwo i sprzyja stosowaniu w samochodach.

Wśród ogniw nisko-temperaturowych możemy wyróżnić trzy główne typy. Pierwszym z nich jest ogniwo alkaliczne AFC (Alkaline Fuel Cells), gdzie elektrolitem jest wodorotlenek potasu. Temperatura pracy wynosi od 65 do 220 stopni Celsjusza co sprzyja szybkiemu uruchamianiu. Mają one dużą wydajność, małą masę ale i niewielką pojemność. Charakteryzuje ich także relatywnie krótka żywotność oraz duże problemy z odprowadzaniem wody, która musi być usunięta przed ponownym uruchomieniem.

Ogniwa kwasu fosforowego PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells) wykorzystują jako elektrolit stężony kwas fosforowy. Temperatura pracy wynosi od 150 do 205 stopni Celsjusza. Charakteryzują się dużą tolerancją na dwutlenek węgla jednak mają szereg wad takich jak duża korozyjność, przedostawanie się wody do elektrolitu i rozcieńczanie go, duże wymiary oraz masa.

W Hondzie FCX Concept użyto ogniwa z membraną elektrolityczną PEM (Proton Exchange Membrane). W standardowym ogniwie PEM elektrolitem jest membrana polimerowa pokryta teflonem. Temperatura pracy wynosi od 160 do 195 stopni Celsjusza ale dzięki zastosowaniu przez Hondę związków aromatycznych, udało się obniżyć zakres temperatur, i w modelu FCX Concept wynosi on od -20 do 95 stopni Celsjusza.

Zaletami są oczywiście szybki rozruch, brak korozji powodowanej przez elektrolit, duża wydajność, kompaktowa konstrukcja oraz trwałe materiały użyte do budowy membrany. Niestety jej proces wytwarzania jest bardzo drogi m.in. przez konieczność użycia platyny.

Wodorowe ogniwa paliwowe będą z pewnością następcą tradycyjnego silnika spalinowego. Samochody elektryczne stanowią jedynie generację przejściową. Z czasem uda się w końcu obniżyć koszty produkcji ogniw paliwowych do tego stopnia, że samochody napędzane wodorem będą cenowo przystępne dla każdego, a wtedy szybko wyprą tradycyjne silniki spalinowe. Kiedy to nastąpi? Mam nadzieję, że jeszcze nie za mojego życia.