Jak działają samochody na wodór?

Gdyby zapytać inżynierów motoryzacyjnych, jaki rodzaj silnika będzie napędzał samochody przyszłości, wszyscy bez wahania odpowiedzą: elektryczny. W stosunku do silników spalinowych ma on mnóstwo zalet - bardzo duży moment obrotowy, możliwość pracy w szerokim zakresie obrotów, prostota i trwałość wynikająca z minimalnej liczby części ruchomych, łatwość i precyzja sterowania parametrami, niewielkie wymiary i masa, wreszcie sprawność sięgająca 98% (dla typowych silników spalinowych to zaledwie ok. 33%).

Dlaczego więc samochody z napędem elektrycznym nie zdominowały jeszcze rynku, choć silniki elektryczne są powszechnie wykorzystywane we wszelkich dziedzinach techniki, od gospodarstwa domowego po kolej, metro i tramwaje? Problemem wciąż pozostaje zapewnienie autonomicznego źródła energii elektrycznej o pojemności umożliwiającej podróżowanie na większe odległości i szybkie doładowanie po jej wyczerpaniu. Mimo ogromnego postępu w technologii akumulatorów, są one wciąż duże i ciężkie, a choć można je doładowywać ze zwykłego gniazdka elektrycznego, odnowienie zapasu energii oznacza co najmniej kilkudziesięciominutową przerwę w podróży. I to tylko w przypadku, jeśli używamy do tego celu superładowarek, których nie da się podłączyć do zwykłego gniazdka i które powodują szybką degradację baterii. Przy zwykłej, ogólnodostępnej technologii ładowania zajmuje ono kilka godzin. O ile wygodniej podjechać na kilka minut na stację benzynową!

Prąd z wodoru

Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie ogniw paliwowych. Urządzenia te wytwarzają prąd elektryczny jako bezpośredni efekt reakcji paliwa z tlenem pochodzącym z powietrza. Najwydajniejszym paliwem dla takich ogniw jest czysty wodór. Brzmi to kosmicznie - wodór, spalający się w silnikach rakietowych w temperaturze niemal 3000 stopni Celsjusza? Tak, ten sam wodór, tyle że w ogniwie paliwowym utlenianie zachodzi na zimno, dzięki obecności katalizatora. Przy okazji warto wspomnieć, że wodorowe ogniwa paliwowe opracowano właśnie z myślą o wytwarzaniu prądu w statkach kosmicznych.

Wydawać by się mogło, że tak wyrafinowane rozwiązanie długo jeszcze pozostanie domeną pojazdów studyjnych, które można podziwiać jedynie podczas wystaw motoryzacyjnych. Tymczasem na rynku jest już dostępny seryjny samochód osobowy, zasilany ogniwami paliwowymi - to Toyota Mirai.

Elektryczna przyszłość

Seryjny model Mirai (po japońsku "przyszłość") powstał jako rozwinięcie zaprezentowanego w 2013 roku koncepcyjnego pojazdu Toyota FCV (Fuel Cell Vehicle). Choć zewnętrznie jest do niego bardzo podobny, zawiera wiele udoskonaleń, które znacząco poprawiły jego osiągi. W konstrukcji zespołu napędowego wykorzystano też szereg produkowanych wielkoseryjnie elementów pochodzących z hybrydowego napędu Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD), co z jednej strony wpływa korzystnie na niezawodność, a z drugiej pozwala znacząco obniżyć koszty.

Mirai to czterodrzwiowy sedan o wielkości porównywalnej z Toyotą Camry. Napęd przenoszony na przednią oś zapewnia sprawdzony w jednostkach HSD silnik elektryczny o mocy 113 kW (154 KM), zapewniający moment obrotowy 335 Nm. Z jednostek HSD wzięto również sterujący silnikiem elektroniczny układ PCU (Power Control Unit). Przy niewielkim zapotrzebowaniu na moc prąd jest dostarczany z akumulatora niklowo-metalowo-wodorkowego o pojemności 1,6 kWh, który magazynuje też energię odzyskiwaną podczas hamowania rekuperacyjnego (silnik elektryczny pracuje wówczas jako generator). Przy większych prędkościach energię elektryczną wytwarza zestaw ogniw paliwowych.

Dojrzała technologia

Użyty w Mirai zestaw ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym to zupełnie nowa konstrukcja o mocy 114 kW (155 KM). O zastosowanych w nim rozwiązaniach można by mówić długo, a o ich wartości niech świadczy fakt, że konstruktorom Toyoty udało się osiągnąć rekordową gęstość mocy wynoszącą 3,1 kW/dm³ - dwukrotnie większą, niż w studyjnym modelu FCHV-adv. Dla poprawy wydajności systemu, między zestawem ogniw paliwowych a sterownikiem mocy zainstalowano elektroniczny przekształtnik, którego zadaniem jest podwyższanie napięcia do 650 woltów. Jego użycie umożliwiło zmniejszenie liczby ogniw paliwowych i obniżenie masy całego systemu. W chwilach największego zapotrzebowania na moc, czyli podczas gwałtownego przyspieszania, ogniwa paliwowe wspomagane są przez akumulator.

Zestaw ogniw paliwowych waży jedynie 56 kg i ma objętość zaledwie 37 dm³, dzięki czemu udało się go umieścić pod podłogą pojazdu, tak by nie ograniczał przestrzeni użytkowej nadwozia. Pod podłogą znalazły się także dwa zbiorniki wodoru (przedni mieszczący 60 l i tylny o pojemności 62,4 l) o wyjątkowej konstrukcji. Wykonane z wielowarstwowego kompozytu, wytrzymują ogromne ciśnienie 70 MPa, a przy tym są bardzo lekkie, zaś rekordowy współczynnik pojemności sprawia, że aż 5,7% masy pełnych zbiorników to wodorowe paliwo. Wewnętrzna nylonowa wyściółka dba o odpowiednią szczelność, następna warstwa kompozytu o zbrojeniu z włókien węglowych zapewnia wytrzymałość na ciśnienie, wreszcie zewnętrzna warstwa kompozytu o zbrojeniu z włókien szklanych gwarantuje odporność na uszkodzenia mechaniczne. Zastosowanie włókien szklanych pozwoliło ograniczyć zużycie bardzo drogich włókien węglowych i tym samym obniżyć cenę zbiorników przy zachowaniu wymaganych parametrów.

Czysto, cicho, szybko

Konsekwencją zastosowania wodorowego paliwa jest absolutna czystość gazów wydechowych - to po prostu para wodna. Wodór może być przy tym paliwem całkowicie odnawialnym - sceptycy powiedzą, że do jego uzyskania np. poprzez elektrolizę wody potrzebny jest prąd wytwarzany przez elektrownie, ale może on pochodzić z elektrowni wodnych, wiatrowych bądź słonecznych. Wodór można produkować także kilkoma innymi metodami, co rozwiązuje problem dywersyfikacji źródeł energii. Inne ekologiczne aspekty Mirai to mniejsze obciążenie środowiska przez czynności eksploatacyjne - nie trzeba zmieniać oleju silnikowego i pasków klinowych, hamowanie rekuperacyjne zmniejsza zużycie okładzin hamulcowych. Inną cenną zaletą jest doskonała cisza, jaką zapewnia napęd elektryczny i bezgłośna praca ogniw paliwowych.

Elektryczny napęd może rozpędzić Mirai do prędkości maksymalnej 178 km/h, a zawarty w zbiornikach wodór umożliwia przejechanie na jednym tankowaniu 480 km (przy tankowaniu na stacjach nowej generacji nawet 700 km). Uzupełnienie paliwa trwa jedynie trzy minuty - porównywalnie z tankowaniem na stacji benzynowej.

Toyotę Mirai można już kupić w Japonii, lada moment samochód trafi na rynek amerykański. Rozpoczęcie sprzedaży w Europie ma nastąpić we wrześniu, początkowo w Wielkiej Brytanii, Danii i Niemczech (przewidywana cena netto na rynku niemieckim to ok. 60 tys. euro), a później również w innych krajach, w miarę rozwoju infrastruktury tankowania wodoru.