Samochód na wodór – jak to działa?
Wodór jest często nazywany paliwem przyszłości, które już niedługo będzie napędzać większość naszych samochodów. Zaletą takich pojazdów jest to, że nie produkują żadnych zanieczyszczeń, a jednocześnie nie wymagają wielogodzinnego ładowania akumulatorów, gdyż zbiorniki wodoru tankuje się w 3 minuty. Motoryzacja oparta na wodorze jest faktem już dziś, bo po drogach jeżdżą już pierwsze takie samochody i autobusy. Nazywanie wodoru paliwem jest jednak nieprecyzyjne, ponieważ nie jest on spalany w silnikach, a zużywany w ogniwach paliwowych.
Samochód wodorowy, taki jak produkowany seryjnie sedan Toyota Mirai, to w istocie pojazd elektryczny - koła są w nim poruszane przez silnik elektryczny o mocy 155 KM. Prądu dla tego silnika dostarcza zestaw ogniw paliwowych, w których wodór dostarczany ze zbiorników auta nie jest spalany, lecz łączy się "na zimno" z tlenem z powietrza. Jest to możliwe dzięki obecności odpowiednich katalizatorów i specjalnej membrany, rozdzielającej wodór i tlen.
Membrana ta nie przepuszcza atomów wodoru, ale przepuszcza ich pozbawione elektronów jądra - dodatnio naładowane protony. Dodatnie jony wodorowe łączą się z ujemnymi jonami tlenu, tworząc cząsteczki wody. Elektrony z atomów wodoru, niosące ładunek ujemny, mogą się przedostać na drugą stronę membrany jedynie okrężną drogą, poprzez obwód elektryczny, w którym dzięki temu płynie prąd wykorzystywany do zasilania silnika. Jedynym produktem ubocznym tej reakcji jest czysta para wodna.
Proste, prawda? W rzeczywistości układ jest bardziej skomplikowany, bo oprócz ogniw paliwowych, które same w sobie są wysoce wyrafinowane, są jeszcze wykonane z lotniczych kompozytów zbrojonych włóknem węglowym i szklanym wysokociśnieniowe zbiorniki, mieszczące 5 kg wodoru pod ciśnieniem 700 barów, a także przemyślna elektronika. Obejmuje ona przetwornicę, podwyższającą napięcie stałe uzyskane z ogniw do 650 V, oraz sterownik mocy, który zamienia prąd stały na trójfazowy prąd przemienny o regulowanych przez komputer parametrach (częstotliwości i napięciu), od których zależy prędkość i moment obrotowy silnika elektrycznego.
Dodatkowo aby zmniejszyć zużycie wodoru, w Toyocie Mirai zastosowano system odzyskiwania energii podczas hamowania - silnik elektryczny pełni wtedy rolę generatora, a wytworzony w ten sposób prąd gromadzony jest w akumulatorze o dużej pojemności i używany później podczas ruszania czy przyspieszania, analogicznie jak w samochodach hybrydowych.
