jako paliwo silnikowe

Zaostrzanie norm emisyjnych w transporcie powoduje, że konstruktorzy samochodów poszukują nowych paliw silnikowych, które byłyby realną alternatywą dla nośników energii pozyskiwanych z ropy naftowej. Jednym z takich paliw, którym interesują się producenci pojazdów, jest wodór. O randze jaką nadaje się temu paliwu świadczy powołanie w 2004 r. Europejskiej Platformy Technologicznej Wodoru i Ogniw Paliwowych, która kontroluje i wspiera działania w tym zakresie.



Widok na kriogeniczny zbiornik wodoru, który - jak widać - zabiera całą objętość bagażnika.

Wodór jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym we wszechświecie, chociaż na Ziemi występuje tylko w związkach chemicznych, z których najpopularniejszym jest oczywiście woda. Dlatego też, w celu jego pozyskiwania stosuje się kilka metod. Można go oddzielać od gazu ziemnego czy ropy naftowej lub pozyskiwać poprzez elektrolizę wody (na mniejszą skalę). Spalanie wodoru nie powoduje wydzielania szkodliwych składników spalin, praktycznie jedynym ich składnikiem jest para wodna. Z technologicznego punktu widzenia produkcja wodoru nie stanowi wielkiego problemu, jednak jest ona bardzo energochłonna.



Fiat Seicento Hydrogen, eksperymentalny samochód zasilany ogniwem paliwowym.

Poważnym problemem, hamującym rozwój zastosowania wodoru jako paliwa silnikowego, jest jego magazynowanie i niska gęstość energii. Paliwo to może być przechowywane na kilka sposobów: w postaci gazowej pod dużym ciśnieniem, jako gaz skroplony i w postaci związanej (jako wodorki metali). Pierwszy sposób wymaga stosowania wysokich ciśnień, drugi zastosowania izolowanych, kriogenicznych zbiorników, zapewniających temperaturę około -250 stopni C. Trzecia metoda jest na obecnym etapie rozwoju mało efektywna i właściwie dopiero się rozwija.



Układ doprowadzający powietrze do ogniwa paliwowego, widoczna w głębi dmuchawa oraz obudowa filtra i przepływomierz.

Wodór jako paliwo w samochodach może być również wykorzystywany na dwa różne sposoby, tzn. jako paliwo dla silnika wewnętrznego spalania lub jako nośnik energii dla ogniwa paliwowego, służącego do wytwarzania napięcia elektrycznego zasilającego trakcyjny silnik elektryczny. To drugie rozwiązanie jest stosowane częściej, dzięki dużo wyższej sprawności wykorzystania paliwa wodorowego, wynoszącej powyżej 60%.



Ogniwo paliwowe zamontowane w komorze silnikowej Fiata Seicento Hydrogen.

Zasada działania ogniwa paliwowego polega na reakcji odwrotnej do elektrolizy. W zastosowaniach transportowych najbardziej obiecująco wygląda rozwój ogniw paliwowych z membraną jonoselektywną wymieniającą protony. Wysoka gęstość prądu pozwala na budowanie urządzeń o niskiej masie i rozmiarach. Stała membrana elektrolityczna ułatwia uszczelnianie w procesie chemicznym, obniża korozję i podwyższa trwałość ogniwa. Ogniwa takie pracują w porównaniu z innymi typami w stosunkowo niskich temperaturach 70-90OC, co pozwala na szybsze osiągnięcie temperatury pracy i błyskawiczną reakcję na zmiany zapotrzebowania mocy. Ogniwo membranowe składa się z membrany przewodzącej protony, włożonej między dwie porowate elektrody, uzupełnione platyną. Udział platyny w warstwie katalitycznej jest na poziomie 0,15 mg/cm2. Grubość membrany katalitycznej wynosi z reguły około 200 mikronów, a grubość warstwy katalitycznej elektrod w zależności od ilości platyny to około 10 mikronów. Teoretyczne napięcie jednego ogniwa paliwowego osiąga wartość około 1,2 V. Rzeczywiste napięcie w wyniku strat z reguły waha w granicach 0,6-0,9V i przy rosnącym obciążeniu wykazuje tendencję spadkową. Dlatego też, aby podwyższyć nominalne napięcie elektryczne i moc całego układu zasilania ogniwa elementarne łączy się w większe baterie.



Układ napędowy Seicento Hydrogen. Widoczny, chłodzony cieczą silnik elektryczny napędzający koła tylnej osi.

Z uwagi na to, iż przechowywanie wodoru jest dość kłopotliwe, często stosuje się jego pozyskiwanie w ogniwie ze związków bogatych w ten pierwiastek. Dlatego też opracowano specjalne ogniwa membranowe zasilane metanolem (DMFC – Direct Methanol Fuel Cell). Wykorzystanie paliwa ciekłego jest mniej kłopotliwe i bezpieczniejsze od stosowania czystego wodoru (łatwiejsze przechowywanie i transport). Najnowszymi ogniwami membranowymi są wysokotemperaturowe ogniwa PEM. Pracują w różnych wariantach w temperaturach 120-180°C. Charakteryzują się one zastosowaniem membrany polimerowej z kwasem fosforowym. Kolejną zaletą jest większa odporność takich ogniw na zawartość tlenku węgla w doprowadzanym powietrzu. Wysokotemperaturowe ogniwa PEM mogą pracować z zawartością CO do 1proc. bez niebezpieczeństwa uszkodzenia warstwy katalitycznej. Historia rozwoju ogniw paliwowych sięga roku 1780, kiedy to Luigi Galvani przedstawił teorię zamiany energii chemicznej na elektryczną i dowiódł, że proces ten jest odwracalny. Teorie tę zaaplikowano w ogniwie galwanicznym, które doprowadziło do rozwoju baterii i akumulatorów, znajdujących szerokie zastosowanie od drugiej połowy XIX wieku. Koncepcję pierwszego ogniwa paliwowego stworzył sir William Robert Grove w 1839 r. Jego ogniwo miało elektrody platynowe umieszczone w szklanych rurkach, których dolny koniec był zanurzony w roztworze kwasu siarkowego, spełniającego rolę elektrolitu. W górnej zamkniętej części znajdował się tlen i wodór. Urządzenie zostało nazwane baterią gazową. Praktyczne zastosowanie cały czas rozwijanych ogniw paliwowych nastąpiło w latach 60. XX wieku, kiedy to urządzenia tego typu zasilane czystym wodorem służyły jako źródła napięcia elektrycznego w modułach kosmicznych Gemini i Apollo. Obecnie prowadzone prace nad zastosowaniem ogniw paliwowych w samochodach, zapoczątkowane w latach 90. XX wieku, mają na celu obniżenie wysokich kosztów produkcji, tak aby zastosowanie tej technologii w praktyce miało uzasadnienie ekonomiczne. Według przewidywań niektórych uczonych, już w niedługim czasie technologia ogniw paliwowych może zastąpić baterie do notebooków czy telefonów komórkowych. Obecnie są one stosowane w rozwiązaniach, w których efekt ekonomiczny nie jest najważniejszy, np. w pojazdach kosmicznych czy na klasycznych okrętach podwodnych.