Auto na wodór - jak to działa i czy ma to sens?

Jedni mówią, że elektryczne, drudzy, że hybrydowe, a jeszcze inni, że to wodorowe napędy są przyszłością motoryzacji. Podczas gdy samochody korzystające z dobrodziejstw dwóch pierwszych wynalazków szybko zyskują popularność, pierwsze seryjne auto na wodorowe ogniwa paliwowe dostępne jest na rynku dopiero od kilku miesięcy (i to wyłącznie japońskim, przynajmniej jeszcze przez tydzień lub dwa). Mowa tutaj o modelu Toyota Mirai. Podstawowa wiedza na temat działania takiego napędu nie jest jednak powszechnie znana. Nadszedł chyba najwyższy czas by to zmienić.

Silniki elektryczne mają mnóstwo zalet w stosunku do tych spalinowych: bardzo duży moment obrotowy, możliwość pracy w niezwykle szerokim zakresie obrotów, prostota i trwałość wynikająca z minimalnej liczby części ruchomych, łatwość i precyzja sterowania parametrami, niewielkie wymiary i masa czy wreszcie sprawność sięgająca 98 proc. (dla typowych silników spalinowych to zaledwie ok. 33 proc.). Jednostki te nie zdominowały jednak rynku z dwóch powodów. Pierwszy to cena. Drugi zaś, znacznie poważniejszy – brak autonomicznego źródła energii. Ogromne, bardzo pojemne akumulatory, mogące być ładowane z gniazdka elektrycznego, pozwalają na przejechaniu kilkuset kilometrów, ale potem musimy poświęcić co najmniej kilkadziesiąt minut na kolejne doładowanie. 

Właśnie ten problem rozwiązywać mają wodorowe ogniwa paliwowe. Wytwarzają one prąd elektryczny – jest on bezpośrednim efektem reakcji paliwa z tlenem z powietrza, bez tłoków, cylindrów i innych ruchomych elementów. W silnikach rakietowych wodór spalany jest w temperaturze niemal 3 tysięcy stopni Celsjusza. W samochodzie to by nie przeszło, dlatego też w ogniwach paliwowych utlenianie zachodzi na zimno, z wykorzystaniem katalizatora. 

W samochodzie Toyota Mirai zastosowano zestaw ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym – to zupełnie nowa konstrukcja o mocy 114 kW (155 koni mechanicznych). Waży on zaledwie 56 kg i ma objętość 37 dm3, dzięki czemu udało się go umieścić pod podłogą pojazdu. Tam też zamontowano dwa zbiorniki wodoru (przedni, o pojemności 60 litrów i tylny – 62,4 l). Zostały one wykonane z wielowarstwowego kompozytu i wytrzymują ciśnienie sięgające 70 MPa. Wewnętrzna nylonowa wyściółka zapewnia wymaganą szczelność, następna warstwa kompozytu o zbrojeniu z włókien węglowych daje wytrzymałość na ciśnienie, wreszcie zewnętrzna warstwa kompozytu o zbrojeniu z włókien szklanych gwarantuje odporność na uszkodzenia mechaniczne.

Konstruktorom Toyoty udało się osiągnąć gęstość mocy wynoszącą 3,1 kW/dm3. W celu 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 (a Mirai potrafi rozpędzić się do 178 km/h), ogniwa paliwowe wspomagane są przez akumulator.

Wodorowe paliwo oznacza też czystość gazów wydechowych – z rury ulatnia się wyłącznie para wodna. Co więcej, wodór może być tutaj paliwem całkowicie odnawialnym. Ekolodzy są zwolennikami tego typu jednostek jeszcze z kilku innych powodów – brak konieczności zmieniania oleju silnikowego i pasków klinowych czy niższe zużycie okładzin hamulcowych poprzez hamowanie rekuperacyjne. Kolejnym plusem jest cicha praca (podobnie jak w przypadku typowych samochodów elektrycznych). Całości dopełnia możliwość przejechania 480 km na jednym tankowaniu, które ponadto trwa zaledwie 3 minuty. 

Źródło: Toyota, Complex, inf. własna