Choć urządzenie noszące miano „ogniwa paliwowego” jest elementem jednego z najbardziej imponujących alternatywnych układów napędowych, to przeciętny kierowca wie o nim niewiele. Jednym z powodów jest mała popularność tego rozwiązania, a z drugim nieznajomość zastosowanej w nim technologii. Celem artykułu jest właśnie wypełnienie tej luki wiedzy.

Definicja ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe są obecne używane nie tylko w motoryzacji. Technologię tę w różnych odsłonach wykorzystuje bowiem przemysł wojskowy, blokowe systemy grzewcze w elektrowniach, badania przestrzeni kosmicznej, a nawet mikroelektronika. W tym artykule skupimy się głównie na przemyśle samochodowym, choć na początku warto przybliżyć ogólną zasadę działania ogniwa, przechodząc następnie do konkretnych przykładów.

Ogniwo paliwowe jest układem przetwarzającym energię chemiczną na energię elektryczną, z której – w przypadku pojazdów – otrzymujemy ostatecznie energię kinetyczną.

Energia wykorzystywana w ogniwach paliwowych nazywana jest energią chemiczną, ponieważ jej źródłem są procesy chemiczne.

Podstawowe typy ogniw

Zanim przejdziemy do szczegółów, musimy wspomnieć, że choć ogniwo wodorowe jest wersją ogniwa paliwowego, to urządzenia te są osobnymi wynalazkami.

W poniższym zestawieniu krótko opisujemy najważniejsze z nich.

• AFC, ogniwo z elektrolitem alkalicznym: Jest to ogniwo paliwowe stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, które do działania wymaga wodoru i tlenu. Jego temperatura pracy wynosi 80°C, teoretyczna sprawność to 70%, w praktyce jest zbliżona raczej do 62%.
• PEMFC, ogniwo z membraną przepuszczającą protony: Jego zasada działania jest bardzo podobna do AFC, temperatura pracy to również 80°C, ale sprawność jest gorsza: teoretycznie wynosi 68%, ale w praktyce z trudem osiąga 50%. Spotykane jest w przemyśle samochodowym, ale występuje również w blokowych systemach grzewczych w elektrowniach.
• DMFC, ogniwo z bezpośrednią membraną metanolową: Istotną różnicą w porównaniu do dwóch poprzednich jest to, że parą materiałową nie są tu wodór i tlen, ale metanol i tlen. Metanol jest substancją łatwiejszą w produkcji, ale sprawność ogniwa nie jest wysoka: zaledwie 26%. W mikroelektronice urządzenie to spotykane jest jako źródło zasilania.
• PAFC, ogniwo z kwasem fosforowym: Ta wersja jest również często stosowana jako źródło prądu; ma bardzo dobrą sprawność teoretyczną na poziomie 65%, zaś w praktyce osiąga 60%, przy czym jej temperatura pracy sięga 200°C. Elektrolitem jest stężony kwas fosforowy, ale paliwem jest tu również wodór i tlen.
• MCFC, alkaliczne ogniwo soli węglanowych: Jedno z ogniw dwustopniowych podgrzewaczy turbin parowych. Pracuje w temperaturze 650°C i może być stosowane z różnymi paliwami, od wodoru przez gaz ziemny i biogaz aż po tlen. Sprawność teoretyczna wynosi 65%, w praktyce zaś około 62%.
• SOFC, ogniwo z tlenkiem ceramicznym: To ogniwo z elektrolitem ceramicznym z tlenku itru i cyrkonu jest drugim typem ogniwa występującego w dwustopniowych podgrzewaczach turbin parowych. Jego temperatura wewnętrzna jest astronomiczna, aż 1000°C, a gama stosowanych paliw jest podobna jak w przypadku MCFC. Stopnie sprawności są takie same: teoretyczny wynosi 65%, a praktyczny 62%.

W dalszej części artykułu zajmiemy się ogniwami stosowanymi w przemyśle motoryzacyjnym.

Zasada działania ogniw paliwowych

Wspomniany wcześniej proces chemiczny zachodzący w samochodach z ogniwami paliwowymi nazywany jest reakcją redoks.

Etapy wytwarzania energii należy sobie wyobrazić w podobny sposób, jak gdybyśmy badali wnętrze akumulatora kwasowego: mamy anodę, na której utlenia się gazowy wodór. Jest to jedna połowa procesu, w której wodór oddaje elektron, który przechodzi przez obwód zewnętrzny do katody, generując w ten sposób prąd elektryczny i wykonując pracę elektryczną.

Druga połowa procesu ma miejsce na katodzie – zachodzi tu reakcja redoks – w ramach której tlen, wspomniany wcześniej dodatnio naładowany jon wodorowy oraz elektron łączą się i ostatecznie zamieniają w wodę.

Dzięki zespołowi katalizatorów wodór traci swój elektron. Wybór materiału wykonania anody i katody może być różny w zależności od przeznaczenia – np. elektroda anodowa jest często wykonana z platyny, zaś katoda z niklu. Przejście jonów wodoru z anody do katody umożliwia elektrolit znajdujący się pomiędzy dwoma elektrodami, który przepuszcza tylko jony, a nie elektrony.

Aspekty przemysłu motoryzacyjnego

Chociaż NASA aktywnie wykorzystuje ogniwa paliwowe od lat 60. ubiegłego wieku, historia urządzenia w przemyśle motoryzacyjnym jest znacznie młodsza. Faktem jest, że firma Chevrolet opracowała samochód Electrovan już w 1966 r., ale produkcja seryjna nigdy nie miała miejsca. We wrześniu 1999 r. Honda wprowadziła na rynek model FCX-V1, co udostępniło samochód wyposażony w ogniwa paliwowe szerokiej publiczności.

Od tego czasu wielu producentów próbowało tego rozwiązania, ale obecnie w produkcji w Europie dostępne są tylko dwa modele: jeden to Toyota Mirai (2015-), a drugi to Hyundai Nexo (2018-). W następnym punkcie omówimy, dlaczego ta lista jest tak skromna.

Zalety i wady ogniw paliwowych

Korzystne właściwości ogniwa paliwowego szybko stały się jasne dla konstruktorów:

• brak ruchomych części – niezawodne działanie
• brak wrażliwości na zmiany temperatury
• niewielki ciężar, kompaktowe rozmiary
• brak szkodliwych emisji

Z punktu widzenia branży motoryzacyjnej należy również podkreślić, że technologia akumulatorów w samochodów elektrycznych umożliwia zasięg jazdy ok. 600 kilometrów. Osiągi takie wykazywała już Toyota Mirai w 2015 r., a od tamtego czasu niewiele się zmieniło. Nie ulega wątpliwości, że ogniwo paliwowe ma na tym polu jeszcze spory potencjał. Ciekawe jest również to, że tankowanie nie wymaga znacząco więcej czasu w porównaniu do samochodu z silnikiem spalinowym. To kolejna ważna kwestia oprócz technologii.

Teraz pojawia się pytanie: dlaczego ogniwa paliwowe są tak rzadkie?

Odpowiedź: jej zalety wiążą się również z istotnymi wadami.

Przechowywanie wodoru jest tak samo skomplikowane jak w przypadku energii elektrycznej, a jego produkcja jest również problematyczna.

Jednak znacznie pilniejszym problemem jest to, że surowce do produkcji ogniw paliwowych są astronomicznie drogie, więc sam pojazd nie jest konkurencyjny cenowo. Drugim newralgicznym punktem jest brak infrastruktury ładowania. Obecnie kraje europejskie podejmują działania w celu zainstalowania studni wodorowych, ale oznacza to wyższy koszt jednostkowy niż w przypadku instalacji stacji ładowania pojazdów elektrycznych.

Dzięki rozwiązaniu dwóch ostatnich mankamentów, samochody z ogniwami paliwowymi będą mogły zawładnąć rynkiem motoryzacji – ciekawe tylko, jak szybko uda się rozwinąć tę technologię.