Samochody napędzane standardowymi silnikami spalinowymi powoli ustępują miejsca innym, nowocześniejszym i bardziej ekologicznym rozwiązaniom. Wśród nich znajdują się oczywiście auta elektryczne oraz hybrydy. W ostatnich latach dużą popularnością cieszą się jednak również pojazdy na ogniwa paliwowe. Jak działają takie samochody i jakie są ich najważniejsze atuty?
Czym jest samochód z wodorowym ogniwem paliwowym?
FCEV, czyli „Fuel Cell Electric Vehicle”, to skrót opisujący samochody wodorowe. Obecnie możemy zaobserwować bardzo dynamiczny rozwój tego segmentu rynku motoryzacyjnego. Jeszcze do niedawna napęd w postaci ogniwa paliwowego był oferowany jedynie w kilku wybranych modelach – pionierami pod tym względem były japońskie marki: Toyota z modelem Mirai oraz Hyundai z SUV-em Nexo. Obecnie jednak rynek pojazdów tego typu jest znacznie bardziej rozbudowany, co wynika m.in. z ich ekologiczności i wydajności.
Sposób pracy samochodów wodorowych jest bardzo zbliżony do działania aut elektrycznych. Najważniejsza różnica wynika ze sposobu wytwarzania energii. W pojazdach FCEV energia potrzebna do zasilenia silnika powstaje w wyniku reakcji chemicznej, podczas której wodór łączy się z tlenem, co powoduje powstanie wody. Aby mogło dojść do takiej reakcji, wodór musi być wcześniej zgromadzony w zbiorniku – można go zatankować dokładnie w taki sam sposób, jak benzynę czy olej napędowy.
Zobacz też: Zalety i wady paliwa wodorowego do samochodu
Jak działają ogniwa paliwowe?
Co ciekawe, mimo że takie rozwiązanie dopiero teraz zyskuje na popularności w świecie motoryzacji, zasada działania ogniw paliwowych została opisana po raz pierwszy już w 1838 roku. Opracował ją niemiecko-szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein. Ogniwo składa się z dwóch elektrod – anody i katody w postaci nawęglonego papieru pokrytego platyną. Elektrody są rozdzielone elektrolitem lub specjalną membraną elektrolityczną. W momencie, gdy wodór znajduje się w ogniwie (do którego musi być wcześniej doprowadzony), ulega on utlenieniu. To reakcja chemiczna polegająca na oddawaniu elektronów przez atomy lub jony danego pierwiastka – w tym przypadku wodoru.
Zobacz też: Samochody napędzane wodorem – koszt, emisja i informacje o rynku
Na skutek utlenienia wytwarzane są kationy wodorowe i aniony tlenowe. Dzięki obecności elektrolitu znajdującego się wewnątrz możliwy jest przepływ protonów z katody do anody oraz blokowanie m.in. anionów tlenowych. Po zetknięciu się kationów wodorowych z katodą następuje reakcja z anionami tlenkowymi, czego wynikiem jest woda. Elektrony z anody, po przejściu przez obwód elektryczny, wytwarzają natomiast energię wykorzystywaną do zasilania silnika.
Zobacz też: Systemy izolacyjne akumulatorów samochodowych
Ogniwa paliwowe a galwaniczne – podstawowe różnice
Ogniwo paliwowe generuje energię elektryczną jako efekt procesu utleniania wodoru. Choć w przypadku ogniw galwanicznych cel jest taki sam, procesy zachodzące w tych dwóch technologiach znacznie się od siebie różnią. W przeciwieństwie do akumulatorów i baterii, które są stosowane w układach galwanicznych, ogniw paliwowych nie trzeba ładować. Oznacza to, że mogą zacząć działać praktycznie od razu po doprowadzeniu paliwa. Jeśli chodzi o tankowanie wodoru, cała czynność wygląda praktycznie tak samo, jak tankowanie benzyny lub oleju napędowego. Najważniejszą różnicą jest jednak fakt, że wodór liczy się w kilogramach, a nie w litrach. Ważna jest także kontrola tempa przepływu wodoru przez dystrybutor – gdy zasilanie będzie odbywać się zbyt szybko, może dojść do bardzo niebezpiecznego podwyższenia temperatury.
Zobacz też: Amortyzatory do ochrony samochodowych zbiorników wodorowych
Przyszłość wodoru w motoryzacji
Ogniwa wodorowe przez długi czas – aż do lat 60. XX wieku – nie znajdowały powszechnego zastosowania. Z czasem jednak zauważono ich potencjał i zaczęto je stosować m.in. w statkach kosmicznych NASA. Obecnie można się z nimi spotkać głównie w akumulatorach aut elektrycznych, co wiąże się z ogromem korzyści. Do najważniejszych zalet tego rozwiązania należy zaliczyć przede wszystkim ograniczenie emisji szkodliwych zanieczyszczeń. Ponadto bak wodoru jest niezwykle lekki: 120 litrów tego gazu może ważyć zaledwie 5 kilogramów, co ma niebagatelne znaczenie pod kątem wydajności, eksploatacji i zasięgu samochodu.
Trudno nie zauważyć bardzo dynamicznego rozwoju wodorowego segmentu motoryzacji w ostatnich latach. Zarówno w Polsce, jak i na całym świecie takie rozwiązania mają ogromny potencjał – niewykluczone, że w przyszłości całkowicie zastąpią aktualnie stosowane technologie. Należy jednak wspomnieć o pewnych ograniczeniach, które obecnie wciąż stanowią niemałe wyzwanie. Mowa przede wszystkim o małej dostępności wodoru, która przekłada się na wysoką cenę. Mimo że jest to najpowszechniejszy pierwiastek we wszechświecie, pozyskiwanie go na Ziemi z użyciem obecnych technologii jest dość problematyczne. Wyzwaniem jest też temperatura pracy gazu, która w ogniwach niskotemperaturowych powinna sięgać aż ok. 250 °C. W związku z tym przy każdym uruchomieniu silnika konieczne jest jego nagrzanie, które w zależności od konkretnego modelu może trwać od kilku do kilkunastu sekund.
Zobacz też:
Zbiorniki na wodór w samochodach – przechowywanie wodoru
Knauf Automotive – innowacyjne rozwiązania do ogniw wodorowych
W Knauf Automotive oferujemy innowacyjne metody przetwórstwa spienionego tworzywa EPP, które może być wykorzystane m.in. jako wsparcie dla ekologicznych rozwiązań napędowych jak m.in. napęd wodorowy czy hybrydowy o zwiększonym zasięgu. Dzięki temu można nie tylko wyprodukować standardowe komponenty o znacznie lepszych właściwościach i parametrach technicznych, lecz także projektować nowoczesne rozwiązania do samochodów przyszłości. Części wykonywane z pianki EPP zapewniają skuteczną izolację termiczną oraz znakomitą ochronę przed wstrząsami i uszkodzeniami.
Zobacz też:
Osłony z EPP do zbiorników wodorowych – ochrona zbiorników wodoru