Jak działa samochód na wodór, czyli wodorowy napęd elektryczny w praktyce

W tym momencie nikt już nie ma chyba wątpliwości co do tego, że przyszłość motoryzacji oparta na silnikach elektrycznych nie jest tylko wizją futurystów, a tym, co czeka nas w najbliższych latach. Przez ostatnie lata samochody „na prąd” przestały być jedynie zabawkami dla najbogatszych, a stały się dla wielu osób narzędziem do codziennej pracy.

Praktycznie żaden z największych producentów samochodów nie kryje już planów związanych z elektryfikacją swojej oferty. Za kilka lub kilkanaście lat będziemy mogli udać się do dowolnego salonu i wyjechać z niego pojazdem, który do pracy nie potrzebuje już ani odrobiny benzyny czy ropy.

Co nie oznacza, że wizja tego, jak w przyszłości będzie dokładnie działał samochód elektryczny, została już w pełni ukształtowana.

W tej chwili zdecydowana większość producentów, jeśli chodzi o auta w pełni elektryczne, stawia na najbardziej oczywiste i najprostsze rozwiązanie. Auta takie ładowane są z gniazdka, przeważnie za pomocą albo zwykłych ładowarek, albo tzw. superładowarek, pozwalających drastycznie skrócić czas potrzebny na napełnienie samochodowych akumulatorów.

I tu pojawia się podstawowy problem takiego rozwiązania. O ile bowiem zasięg „elektryków” ładowanych z gniazdka nie jest aż tak wielkim problemem, o tyle czas potrzebny na ich naładowanie trudno uznać za akceptowalny. Szczególnie, jeśli porównamy go z czasem, jaki potrzebny jest do napełnienia baku w zwykłym aucie.

Chociażby w przypadku Tesli i jej słynnych już Superchargerów, bo o zwykłym ładowaniu nie warto nawet wspominać, przez 30 minut na stacji możemy zwiększyć zasięg naszego samochodu o nieco ponad 270 km. 30 minut! Kto wyobraża sobie jazdę gdziekolwiek, z obowiązkowym postojem na pół godziny co taki dystans?

Szczególnie że nowe rozwiązania, aby przyjęły się powszechnie, nie mogą być po prostu inne lub tylko częściowo lepsze od dotychczasowych. Muszą być rewolucyjne. A choć auta elektryczne ładowane z gniazdka są cichsze, przyjemniejsze w trakcie jazdy i bardziej „zielone”, na stacji potrafią zabrać nam dziesięciokrotnie więcej czasu, niż ich spalinowe odpowiedniki.

Do tego dochodzi jeszcze konieczność wyposażenia auta w ogrom akumulatorów, jeśli chcemy w ogóle mówić o jakimkolwiek sensownym zasięgu. A w parze z kolejnymi akumulatorami idzie oczywiście zwiększona masa pojazdu, a więc i większe zapotrzebowanie na energię i mniej przyjemności z jazdy.

Najgorsze jest to, że nie mamy żadnej gwarancji, że te problemy w przypadku „gniazdkowców” zostaną kiedykolwiek całkowicie wyeliminowane.

I to takie, które łączy w sobie wszystkie zalety samochodów elektrycznych, jednocześnie likwidując ich wady. Głównie dlatego, że… nadal mowa o samochodzie elektrycznym, ale zasilanym w zupełnie inny sposób - z naszej prywatnej, wodorowej elektrowni umieszczonej na pokładzie auta.

Wystarczy spojrzeć na najbardziej podstawowe dane, żeby zobaczyć, jak bardzo tego typu źródła zasilania już teraz wyprzedzają popularne, standardowe akumulatory. Zasięg? Nawet do 550-700 km. Czas „tankowania”? Około 3 minut. Ilość emitowanych zanieczyszczeń? Nic. Jedynym zbędnym produktem przy generowaniu prądu jest tutaj woda. Ci, którzy mają za nic troskę o środowisko, niech przypomną sobie miłe chwile spędzone w korku za rozklekotanym dieslem. Zdecydowanie nie trzeba należeć do grupy osób, które łańcuchami przypinają się do drzew, żeby docenić samochody elektryczne.

Brzmi jak wizja idealna, która z całą pewnością zaprzęga do działania kosmiczne technologie? Cóż, częściowo tak jest i dlatego też zdecydowanie warto zobaczyć, jak właściwie działa cały ten magiczny pomysł samochodu z prywatną elektrownią wodorową.

Na samym początku warto wyjaśnić jedno - nie należy mylić dwóch kategorii samochodów wykorzystujących wodór, choć w uproszczeniu pojazdy z jednej i drugiej kategorii poruszają się właśnie dzięki temu paliwu.

W pierwszym przypadku, w autach takich jak chociażby BMW serii 7 (E68), zastosowano po prostu klasyczny silnik spalinowy, dostosowany do spalania wodoru. Trzeba zresztą przyznać, że w wymienionym aucie „wodorowość” była dość symboliczna - zbiornik na sprężony wodór mieścił mniej niż 10 l, więc nie pozwalał na zbyt wiele. Po wykorzystaniu tych skromnych zapasów niemiecka limuzyna przełączała się już na benzynę.

Takie rozwiązanie ma jednak całkiem sporo wad i właściwie nigdy nie stało się specjalnie popularne. Nie ma też żadnych przesłanek ku temu, żeby miało kiedykolwiek trafić do szerszego grona klientów.

Co więc pozostaje? Ogniwa paliwowe

W dużym skrócie, to właśnie jest nasza mała, mobilna elektrownia, w której powstaje energia elektryczna niezbędna do tego, żeby samochód był w stanie się poruszać. Jak jednak dokładnie działa?

Zasadniczo ogniwo paliwowe składa się z trzech podstawowych elementów - elektrody ujemnej (anody) oraz dodatniej (katody) i ulokowanego pomiędzy nimi elektrolitu (w przypadku Toyoty Mirai - membrany polimerowej).

Do tej pierwszej dostarczany jest ze zbiornika wodór, po czym następuje jego rozbicie (utlenienie) na protony i elektrony. Te pierwsze przedostają się do katody za pośrednictwem elektrolitu, natomiast te drugie - za pomocą zewnętrznego obwodu elektrycznego. To właśnie stąd (choć też nie bezpośrednio) prąd płynie do silnika elektrycznego oraz do dodatkowego akumulatora.

Co dzieje się natomiast z protonami? Do katody, do której przedostają się w ramach dyfuzji przez elektrolit, dostarczany jest również za pomocą specjalnej sprężarki tlen (czyli po prostu powietrze, pobierane z otoczenia auta). Na katodzie dochodzi do jego redukcji, co z kolei pozwala na reakcję z kationami wodorowymi, tworząc w rezultacie… wodę, która w postaci pary wodnej opuszcza nasz samochód za pośrednictwem układu wydechowego.

A w skrócie? W skrócie dostarczamy do ogniwa wodór ze zbiornika, tlen przez sprężarkę, a w rezultacie otrzymujemy prąd dla silnika i akumulatora. Jedynym produktem ubocznym jest czysta woda.

Nie można też zapomnieć o czymś jeszcze innym - gęstości energetycznej i sprawności. W przypadku ogniw paliwowych osiąga się wyniki wielokrotnie lepsze, niż w przypadku akumulatorów stosowanych obecnie w samochodach elektrycznych. Oznacza to, że tego obowiązkowego bagażu musimy zabrać ze sobą o wiele, wiele mniej - cały zestaw ogniw paliwowych w Toyocie Mirai ma masę zaledwie 56 kg i objętość 37 dm3, a zbiorniki na sprężony wodór pojemność około 120 l (60 l w zbiorniku z przodu i 62,4 l z tyłu).

Całość, ze względu na niewielkie wymiary, można więc bez problemów rozlokować w pojeździe tak, aby nie ograniczały miejsca wewnątrz kabiny, czy przestrzeni ładunkowej.

Jako ciekawostkę warto dodać, że ogniwa paliwowe stosowane są od dłuższego czasu nie tylko w motoryzacji. Takie układy, w różnych odmianach, można spotkać zarówno w branży energetycznej, jak i… kosmicznej. W sierpniu zeszłego roku Brytyjczycy stworzyli także prototypową wersję iPhone’a 6, który wyposażony w klasyczny akumulator i ogniwo paliwowe był w stanie wytrzymać bez ładowania przez cały tydzień.

Choć więc sama idea ogniw paliwowych, gdzie wodór pełni rolę „nośnika energii” nie jest nowa, dopracowywanie odpowiednich technologii, zwłaszcza na potrzeby rynku motoryzacyjnego, trwało latami. Efekty uzyskane nawet tylko w ostatnim czasie pokazują, jak wiele można w tej materii zdziałać.

Przykładowo, wspomniana wcześniej gęstość energetyczna jest ponad dwukrotnie wyższa, niż w koncepcyjnym modelu FCV. Dwukrotnie wyższa!

Problem związany był też z jedynym produktem ubocznym całego procesu, czyli wodą, która osadzała się na elektrodach, zmniejszając ich wydajność przez utrudnianie dostaw tlenu. Nowa struktura kanałów przepływowych o małej szerokości rozwiązała jednak i tę niedogodność.

W stosunku do modelu koncepcyjnego wprowadzono zresztą ogromną liczbę poprawek. Wśród nich znalazła się m.in. cieńsza warstwa dyfuzyjna (większa intensywność dyfuzji gazów), cieńsza membrana elektrolitowa (większa przewodność protonów) czy katalizator o prawie dwukrotnie większe aktywności. Pozbyto się także zewnętrznego układu nawilżania, przez co masa zestawu ogniw zmalała o 13 kg.

A to wszystko tylko najważniejsze ze zmian, które pojawiły się zaledwie w ciągu pięciu lat od premiery prototypu.

Samymi ogniwami daleko zajechać by się nie dało - cały układ jest o wiele bardziej rozbudowany i składa się przede wszystkim z sześciu elementów (pięciu, jeśli nie liczyć ogniw).

Do samych ogniw trzeba oczywiście doprowadzić wodór, który wcześniej musi być gdzieś składowany. Tym zadaniem zajmują się w przypadku Toyoty Mirai dwa zbiorniki, umieszczone z przodu i z tyłu pojazdu. Jeśli ktoś jednak zakłada, że są to najzwyklejsze w świecie zbiorniki, jest w błędzie.

Znajdujący się w nich wodór jest bowiem sprężony do 70 MPa, co wymaga podjęcia odpowiednich środków bezpieczeństwa. Mamy więc do czynienia ze zbiornikami o trójwarstwowych ścianach - wewnętrznej, z tworzywa sztucznego, środkowej, z kompozytu zbrojonego włóknem węglowym oraz zewnętrznej, z kompozytu zbrojonego włóknem szklanym. Pierwsza z nich odpowiada za szczelność zbiornika, druga za wytrzymałość na wysokie ciśnienie, natomiast trzecia - za odporność na uszkodzenia mechaniczne.

Gdy już dostarczymy wodór do ogniw paliwowych i zaczniemy produkować prąd, następnym elementem układanki jest teoretycznie sterownik mocy. Teoretycznie, ponieważ po drodze znajduje się jeszcze przetwornica napięcia, która podnosi napięcie z ogniw do 650 V. W rezultacie możliwe jest zastosowanie mniejszej liczby ogniw paliwowych.

Co ciekawe, podniesienie napięcia pozwoli również na coś innego - wykorzystanie przez Toyotę podzespołów, które wcześniej stosowane były w produkowanych przez tę firmę samochodach hybrydowych z napędem HSD. Zarówno silnik elektryczny, sterownik mocy, jak i akumulator nie są więc całkowitymi nowościami, tylko sprawdzonymi rozwiązaniami.

Część energii elektrycznej z ogniw paliwowych trafia jeszcze do akumulatora NiMH. Wspomaga on ogniwa przy przyspieszaniu i gromadzi energię, którą udaje się uzyskać przy hamowaniu.

Reszta trafia natomiast do sterownika mocy, który zarządza zasilaniem silnika i akumulatora oraz odpowiada za odzyskiwanie energii przy hamowaniu.

Na końcu całego układu znajduje się oczywiście silnik elektryczny. W tym przypadku o mocy 154 KM i momencie obrotowym 335 Nm, pozwalającym rozpędzić się maksymalnie do 178 km/h.

Tankowanie sprężonego wodoru nie brzmi jak coś, co każdy mógłby robić co dziennie czy raz na kilka dni. Wbrew pozorom jednak cały proces nie różni się specjalnie od tankowania benzyny czy ropy. Ba, zadbano nawet o to, aby był nawet jeszcze bardziej bezpieczny. Można byłoby więc z dnia na dzień przesiąść się do auta na ogniwa paliwowe i nie odczuć żadnej różnicy.

Wszystko wygląda tu bowiem bardzo podobnie do klasycznego tankowania. Mamy więc dystrybutor, mamy odpowiedni dozownik, a na jego końcu znajduje się specjalna dysza. Zasadnicza różnica polega właściwie na tym, że o ile standardowy „pistolet” wkładamy do otworu odkrywanego po odkręceniu korka, o tyle w Mirai w pod korkiem znajduje się specjalny łącznik, na który „nabijamy” dozownik.

Na końcu dyszy znajduje się dodatkowo zamek, który uniemożliwi rozpoczęcie tankowania, jeśli nie zostanie prawidłowo zamknięty. Monitorowane jest też ciśnienie oraz tempo pompowania, a jeśli zapomnimy odłączyć dozownika, po prostu… nie odpalimy samochodu. Szanse na przypadkową katastrofę są więc właściwie zerowe - czy chodzi o usterkę sprzętu, czy nieuwagę użytkownika.

A to właśnie kwestie bezpieczeństwa są potencjalnie największym zagrożeniem dla powodzenia całego projektu aut zasilanych ogniwami paliwowymi.

Trudno w tym momencie polemizować z dwoma rzeczami. Po pierwsze, w samochody zasilane silnikami elektrycznymi nie trzeba już wierzyć lub nie wierzyć - trzeba się po prostu pogodzić z nadchodzącą wielkimi krokami zmianą.

Po drugie, trudno nie odnieść wrażenia, że samochody zasilane bezpośrednio z akumulatorów i ładowane z gniazdka - przynajmniej w obecnych i zapowiadanych formach - niekoniecznie idealnie wpisują się w wizję świata przyszłości, gdzie wszystko powinno być przecież łatwiejsze i lepsze niż obecnie. Możliwe, że kiedyś dokona się przełom i ogromny zestaw akumulatorów umieszczonych w aucie będziemy w stanie naładować tak szybko, jak dziś tankujemy auto z silnikiem spalinowym. Możliwe też, że taki moment nie nadejdzie nigdy i wygodnie będziemy takie auta ładować tylko w nocy, w naszym domowym garażu.

Nie dziwię się więc absolutnie tym, którzy właśnie w wodorze widzą przyszłość, przynajmniej tę najbliższą. Szczególnie jeśli brać pod uwagę, że już teraz takie rozwiązanie jest pod kluczowymi względami mocno do przodu w porównaniu z akumulatorami. A infrastruktura? Cóż, w obydwu przypadkach i tak trzeba ją będzie przecież budować właściwie od podstaw.