Auto Technika Motoryzacyjna, Wikipedia

Pierwsze auto na wodór: Honda FCX Clarity

Zapasy ropy naftowej stale się kurczą, a jej zużycie co roku zwiększa się o około 3%. Benzyna i olej napędowy mogą wkrótce stać się dobrami luksusowymi.

Alternatywą dla ropy może być wodór. Konstruktorzy samochodów pracują nad wykorzystaniem tego gazu na dwa sposoby: do zasilania ogniw paliwowych wytwarzających energię elektryczną, używaną później w silnikach elektrycznych, oraz do zasilania zwykłych jednostek spalinowych.

Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem w każdym stanie skupienia. Metr sześcienny wodoru w postaci gazowej waży zaledwie 89,9 g, czyli 14,4 razy mniej niż metr sześcienny powietrza. Charakteryzuje go też wyjątkowo wysoka wartość energii spalania: jeden kilogram ma jej tyle, co 2,1 kg gazu ziemnego lub 2,8 kg benzyny.

Gaz ten praktycznie nie występuje na Ziemi w czystej postaci. Można go pozyskiwać ze związków, ale proces produkcji jest bardzo kosztowny, wręcz nieopłacalny. Najprostszym sposobem pozyskiwania wodoru jest elektroliza wody, która jednak wymaga dużej ilości energii elektrycznej. Bilans energetyczny tego procesu jest ujemny – trzeba włożyć więcej energii w wytworzenie wodoru, niż odda nam on jako paliwo.

Kolejna wada wodoru polega na tym, że ma on małą jednostkową objętościową wartość opałową, co utrudnia jego magazynowanie. Aby pojazd zabrał jak najwięcej wodoru, przechowuje się go w izolowanych zbiornikach kriogenicznych w temperaturze –250 °C albo w zbiornikach wysokociśnieniowych w stanie ciekłym. Natomiast wielką zaletą wodoru jest fakt, że produktem jego spalania jest woda, nie zaś szkodliwy dla środowiska dwutlenek węgla, jak w przypadku paliw konwencjonalnych.

Ogniwa paliwowe

Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku niemiecko-szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein. Na podstawie jego pracy walijski naukowiec sir William Robert Grove zestawił pierwsze działające ogniwo paliwowe. Ogniwa te nie znalazły jednak praktycznego zastosowania aż do lat 60. XX wieku, kiedy Stany Zjednoczone wykorzystały ogniwa z membranami polimerowymi albo AFC jako źródło elektryczności w swoim programie kosmicznym. Dodatkowym atutem ogniw była możliwość produkcji wody pitnej.

Ogniwo paliwowe to mechanizm generujący energię elektryczną z reakcji utleniania paliwa stale dostarczanego z zewnątrz. W odróżnieniu od ogniw galwanicznych, w których energię wytwarzanego prądu trzeba wcześniej zgromadzić (co znacznie ogranicza czas ich pracy), ogniwa paliwowe nie muszą być uprzednio ładowane: wystarczy doprowadzić do nich paliwo. W przypadku ogniw galwanicznych ładowanie może trwać wiele godzin, podczas gdy ogniwa paliwowe są gotowe do pracy po niewielkim czasie wymaganym do nagrzania.

Najbardziej popularne są ogniwa paliwowe typu PEM (Proton Exchange Membrane), wykorzystujące wymianę protonów poprzez membranę. Dostarczają one mocy o rząd wielkości więcej niż inne ogniwa paliwowe, z wyłączeniem bardzo zaawansowanych, stosowanych w technice kosmicznej ogniw alkalicznych AFC (Alkaline Fuel Cells).

Ogniwa PEM mogą być zasilane czystym wodorem lub paliwem węglowodorowym poddanym reformingowi. Zdolność do pracy w niskich temperaturach umożliwia szybkie rozpoczęcie pracy. Niewielka grubość złożenia membrana-elektrody pozwala na kompaktową budowę tego typu ogniw. Kolejną zaletą jest brak agresywnych chemicznie płynów mogących powodować korozję oraz to, że ogniwo może pracować w każdej orientacji geometrycznej. Zalety te potwierdzają możliwość użycia ogniw paliwowych typu PEM zarówno do samochodów, jak i urządzeń przenośnych. Duże zaangażowanie zespołów badawczych spowodowało zmniejszenie kosztów na tyle, że ogniwa PEM są obecnie najtańsze ze wszystkich typów ogniw.

W ogniwie typu PEM wodór dostarczany jest do anody, gdzie w obecności katalizatora platynowego następuje jego rozszczepienie na protony i elektrony. Wolne elektrony przechodzą do zewnętrznego obwodu elektrycznego, protony zaś przechodzą przez membranę do katody. Tam – w wyniku łączenia się protonów, elektronów z obwodu zewnętrznego i tlenu z powietrza – powstaje czysta woda i wydziela się ciepło. Postać sumaryczna reakcji przedstawia się następująco:

2H₂ + O₂ ↔ 2H₂O.

Do rozwiązania pozostają jeszcze problemy związane ze starzeniem się ogniw paliwowych. Zanieczyszczenia zawarte w paliwie powodują stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieuchronnie ogranicza przepływ jonów wodoru i tlenu, zmniejszając wydajność prądową.

Auto na wodór

Silniki zasilane mieszaninami gazów były konstruowane już w XIX wieku. W 1860 roku Etienne Lenoir uzyskał patent na silnik zasilany mieszaniną gazu świetlnego i powietrza. Niemal 60 lat później w Stanach Zjednoczonych Charles Frazer zbudował urządzenie pozwalające na doprowadzenie wodoru do mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku, zwane Hydrogen Booster. Ta technologia zapewniała większą moc silnika, niższe zużycie paliwa oraz mniej zanieczyszczeń osadzających się na elementach układu.

Znane dziś pojazdy hybrydowe mają stanowić etap przejściowy, prowadzący do epoki wodoru. Niestety, rozstanie z ropą i przejście na wodór wymagać będzie rewolucji w elektroenergetyce.

Pierwszym seryjnie produkowanym samochodem na wodór była Honda FCX. Auto zadebiutowało podczas targów motoryzacyjnych w Tokio w 1999 roku, a trzy lata później weszło do sprzedaży w USA i Japonii. Latem 2008 roku na rynku pojawiła się nowa wersja – FCX Clarity. Model ten można było kupić jedynie w Kalifornii w USA oraz w Japonii na zasadzie trzyletniej umowy leasingowej z kosztami 600 USD miesięcznie.

Ogniwo wodorowe typu PEM

Wodór w aucie jest przechowywany w zbiorniku wysokociśnieniowym umieszczonym za tylną kanapą. Zbiornik jest wykonany z aluminium oblanego materiałem kompozytowym i ma pojemność 171 l, co pozwala na zmagazynowanie 3,92 kg wodoru. Wodór spalany z udziałem tlenu w ogniwie paliwowym zamienia energię chemiczną na elektryczną zasilającą silnik elektryczny o mocy 100 kW (134 KM) i momencie obrotowym 256 Nm. Efektem spalania jest para wodna. Energia elektryczna przechowywana jest w 288-woltowej baterii litowo-jonowej. Ogniwo paliwowe działa w temperaturach od –20 °C, a rozruch jest możliwy od –5 °C.

Clarity rozpędza się do 160 km/h, a jej zasięg wynosi ok. 386 km (240 mil). Tankowanie pojazdu wodorem odbywa się na specjalnie przystosowanych stacjach.

Czy wodór wygra?

Ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór z czasem mogą wyprzeć paliwa tradycyjne, produkowane z kurczących się zasobów naturalnych. Niedawno Honda zawarła długoterminową umowę o współpracy z General Motors, aby rozwijać następną generację systemów ogniw paliwowych i technologii magazynowania wodoru. Napęd wodorowy nie jest mrzonką, lecz realną alternatywą dla silnika spalinowego. Nie ogranicza auta pod względem zasięgu i nie ma wpływu na jego użyteczność.

Jednak wielu ekspertów nie popiera wodorowego entuzjazmu. Mówią, że gdyby koncerny motoryzacyjne wydawały ogromne pieniądze, które inwestują dziś na badania nad ogniwami paliwowymi, na rozwój technologii baterii elektrycznych, to już wkrótce moglibyśmy jeździć autami elektrycznymi niczym nieustępującymi tradycyjnym pojazdom z silnikami spalinowymi.

Piotr Haller, Piotr Kardasz

Politechnika Wrocławska

Tweet

Piotr Kardasz
Politechnika Wrocławska