Ogniwa paliwowe

Wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. Nie posiada barwy, smaku ani zapachu. Obecnie jest uważany za jedno z najbardziej obiecujących alternatywnych źródeł energii. Niestety na ziemi nie występuje w stanie wolnym. Nie ma złóż tego pierwiastka które można by eksploatować na wzór ropy, węgla czy metanu. Aby uzyskać wodór, potrzeba zużyć energię – a więc jest on czymś w rodzaju baterii przyszłości.

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem elektrochemicznym, które zamienia energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczna z wysoką sprawnością. Składa się z dwóch elektrod – anody i katody oddzielonych elektrolitem polimerowym, który przepuszcza jony protonowe (H+) i blokuje przepływ elektronów. Wodór dopływa do anody, tam uwalniane są elektrony, tworząc dodatnie jony wodorowe. Elektrony płyną przez obwód zewnętrzny, jony zaś dyfundują przez elektrolit. Na katodzie elektrony rekombinują z jonami wodorowymi i w reakcji z pobieranym z otoczenia tlenem wytwarzana jest woda, która jest produktem ubocznym.

Ogniwo nie posiada ruchomych części i jego działanie jest zbliżone do zwykłej baterii. Z tą różnicą, że baterie trzeba okresowo ładować, a ogniwo oddaje energię tak długo, dopóki jest zasilane paliwem (wodorem). Produktami reakcji zachodzących w ogniwie jest prąd, ciepło i para wodna – jest to więc urządzenie bezpieczne dla środowiska.

Budowa i działanie ogniwa paliwowego(źródło: http://rpifuelcell.eventurestudio.com)

Zastosowanie praktyczne ogniwa paliwowe znalazły już w latach 50-tych. NASA używała ogniw w programie kosmicznym zamiast akumulatorów. Za wynalazcę ogniwa uważa się Sir Williama Roberta Grove – pierwsze tego typu urządzenie opracował w 1839 r.

Astronauta Charles M. Duke Jr podczas spaceru księżycowego, misja Apollo 16, 1972 r. NASA już w latach 60-tych stosowała ogniwa w swoich programach kosmicznych. (źródło: http://www.nasa.gov)

Aby używać wodoru go najpierw wytworzyć. Można to zrobić na dwa sposoby:

1. Odzyskiwać z paliw kopalnych (np. z metanu) w procesie reformacji. Obecnie w ten sposób wytwarza się 96% wodoru (pozostałe 4 % należy do elektrolizy). Sens takiego rozwiązania jest mocno problematyczny. Prowadzi do uwolnienia dużych ilości dwutlenku węgla odpowiedzialnego za ocieplenie klimatu.
2. Odzyskiwać z wody w procesie elektrolizy. W ty celu zużywa się więcej energii elektrycznej niż jest później w stanie oddać wodór. Mamy więc do czynienia z procesem zużywania energii elektrycznej do wytworzenia wodoru który potem znowu zamieniany jest w ogniwach paliwowych na prąd. Jeżeli jednak energia, potrzebna do elektrolizy pochodzi ze źródła odnawialnego (np. z elektrowni wiatrowej) mamy co prawda drogie, ale naprawdę czyste źródło energii.

Przechowywanie i transport wodoru.

Przechowywanie wodoru stanowi wciąż bardzo poważne wyzwanie dla naukowców. W normalnych warunkach (temperatura i ciśnienie) posiada bardzo małą gęstość (0,08376 kg/m3). Aby osiągnąć większą gęstość zmagazynowanej w wodorze energii

• schłodzić go do temperatury poniżej –252 ºC (temperatura wrzenia wodoru) – następuje wtedy jego skroplenie; niestety skroplenie i utrzymanie niskiej temperatury wodoru samo w sobie jest energochłonne,
• sprężyć do wysokiego ciśnienia,
• przechowywać w postaci wodorków metali – związków absorbujących wodór.

Samochód wodorowy – autopia?

Pojazdy elektryczne budowane są od dziesięcioleci. Nigdy jednak nie mogły stanowić konkurencji dla samochodów z silnikami spalinowymi z powodu poważnego ograniczenia: brak było sposobu na zmagazynowanie dużej ilości energii elektrycznej wewnątrz samochodu. Używane baterie akumulatorowe miały ograniczoną pojemność, duże wymiary i masę oraz bardzo długi czas ładowania. W latach dziewięćdziesiątych przemysł motoryzacyjny zainteresował się na poważnie koncepcją samochodu z silnikiem elektrycznym czerpiącym energię z wodoru.

Wodór w motoryzacji może być wykorzystany na dwa sposoby:

1. Jako paliwo dla ogniwa paliwowego.
2. Jako paliwo dla silnika spalinowego przystosowanego do spalania wodoru.

Silnik spalinowy na wodór

Drogę ta wybrał koncern BMW. W 2006 roku zaprezentował model 760 Hydrogen – seryjne auto (100 sztuk) o napędzie wodorowym. 12 cylindrowy silnik o pojemności 6l przystosowany jest do spalania zarówno tradycyjnej benzyny (bak o pojemności 74l)oraz wodoru (8 kg ciekłego wodoru). Ta hybrydowa konstrukcja daje bawarskiej limuzynie zasięg 700 km (500 km na benzynie i 200 km na wodorze). Brzmi niezwykle obiecująco, jednak bliższe przyjrzenie się konstrukcji studzi nieco emocje. Silnik osiąga moc 260 KM – niezbyt imponującą jak na jego pojemność skokową oraz rozmiary i ciężar auta (2,5 tony). Bagażnik posiada objętość 225 l – wszystko przez zbiornik na wodór wykonany przez Magna Steyr, który aby pomieścić 8 kg skroplonego wodoru sam zajmuje 170 litrów. Aby utrzymać wodór w stanie ciekłym, jego temperatura nie może przekroczyć –253 ºC, zbiornik jest więc super wydajnym skrzyżowaniem termosu i lodówki. Inżynierowie BMW zapewniają, że gdyby napełnić go gorącą kawą jeszcze po trzech miesiącach miałaby temperaturą optymalną do spożycia. Niestety wodór z czasem się ogrzewa i paruje – jest wtedy wypuszczany na zewnątrz przez zawory bezpieczeństwa – średnio po dziewięciu dniach z pełnego zbiornika ulatuje połowa paliwa.

Tankowanie BMW Hydrogen przypomina tankowanie bolidu Formuły 1 albo promu kosmicznego tuż przed wystrzeleniem.

Póki co ekologia wiąże się z wieloma wyrzeczeniami – auto jest o wiele cięższe od zwykłej benzynowej odmiany, a bagażnik ze względu na zbiornik wodoru ma mocno ograniczoną pojemność.

Silnik elektryczny zasilany energią z ogniw paliwowych.

Rozwiązanie takie wybrał miedzy innymi koncern Honda konstruując na początku wieku samochód oznaczony FCX Clarity. Obecnie zaprezentowano już drugą generację tego modelu. Według producenta auto ma zasięg 440 km i rozwija prędkość maksymalną 160 km/h. Rozpoczęcie sprzedaży w USA i Japonii planuje się na 2008 rok. Do napędu FCX zastosowano trzy silniki elektryczne. Pierwszy z nich, o mocy 80 kW umieszczono z przodu – współosiowo ze skrzynią biegów. Pozostałe dwa silniki o mocy 25 kW (każdy) napędzają tylne koła (płaskie silniki o niewielkich rozmiarach umieszczono współosiowo z kołami). Wielką zaletą silników elektrycznych jest fakt, że posiadają stały moment obrotowy, niezależnie od prędkości.

Umieszczenie podstawowych podzespołów Hondy FCX Clarity (źródło: http://automobiles.honda.com/fcx-clarity)

Honda posiada zbiornik na wodór o pojemności 171 litrów (umiejscowiony za tylnymi fotelami). Ogniwo paliwowe zwane PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) produkuje energię, która jest magazynowana w baterii litowo-jonowej.

Wnętrze jest równie nowoczesne i futurystyczne jak reszta auta (źródło: http://automobiles.honda.com/fcx-clarity)