Lesson 1 - Pojazdy z ogniwami paliwowymi

Obejmuje pojazdy z jednostką napędową składającą się z jednego silnika elektrycznego lub wielu silników elektrycznych, w tym koncepcji napędu, gdzie oprócz silnika elektrycznego wykorzystywany jest również silnik spalinowy. Są one następujące:

-(czyste) pojazdy elektryczne, zasilane wyłącznie przez moc baterii, zwany akumulatorowym pojazdem elektrycznym (BEV)
-pojazdy z napędem elektrycznym i wzmacniaczem rasięgu (REX)
-pojazdy hybrydowe, hybrydowe pojazdy elektryczne (HEV)
-plug-in hybrydy, plug-in hybrydowych pojazdów elektrycznych (PHEV)
-pojazdy z ogniw paliwowych (FCV)

Pojazdy z ogniw paliwowych

Termin pojazd z ogniw paliwowych jest nieco mylące. Ogniwo paliwowe nie jest jednostką napędową ani jednostką magazynowania energii. Ogniwa paliwowe służą jedynie do przekształcania energii chemicznie przechowywanej w wodór, jako rzeczywiste źródło energii, na energię elektryczną. Energia elektryczna jest następnie przechowywana czasowo w akumulatorze, zazwyczaj w akumulatorze litowo-jonowym, lub jest dostarczana bezpośrednio do silnika elektrycznego, który napędza pojazd.

Napęd pojazdu ogniwem paliwowym składa się z następujących elementów:

-silnik elektryczny
-akumulator litowo-jonowy
-wodór-(Hz)
-magazyn
-ogniwo paliwowe

Pierwsze dwa komponenty są również najważniejszymi elementami czystych pojazdów elektrycznych. Dlatego pojazdy ogniw paliwowych są jak typowe pojazdy elektryczne. Tylko energia dla akumulatora nie pochodzi z gniazdka, ale z wodoru, które muszą być przewożone w pojeździe.  Tak więc wodór przejmuje też funkcję wzmacniacza zasięgu.

Dla jego funkcji, konwencjonalne ogniwa paliwowe wymagają ciągłego zasilania paliwem, które reaguje z utleniaczem w komórce i wytwarza energię elektryczną podczas wytwarzania różnych związków, w zależności od rodzaju komórki i użytego paliwa.

Koncepcja ta pozwala pojazdowi osiągnąć zasięg 500 km, co rozwiązuje problem zasięgu czystych pojazdów elektrycznych. W przypadku jeszcze dłuższych dystansów, tankowanie wodoru nie zajmuje dużo więcej czasu niż typowe tankowanie benzyny lub oleju napędowego.  Pod warunkiem, że dostępna jest odpowiednia infrastruktura stacji tankowania wodoru. Jak dotąd, tak nie jest, a budowa infrastruktury jest znacznie droższe niż ustanowienie łańcucha słupków ładowania elektrycznego. Dla tego ostatniego, istnieje dobra i dostępna infrastruktura, zapewniając wymaganą moc i zasięg. Korzyści i popularyzacja pojazdów z ogniw paliwowych mogą być zatem omawiane tylko w ścisłym związku z dostępnością dostatecznie gęstej sieci stacji tankowania wodoru.

Funkcjonowanie ogniw paliwowych

Istnieją różne typy ogniw paliwowych dla różnych wymagań.

Budowa i zasada ogniwa paliwowego

 

Historia i teraźniejszość
Pierwsze ogniwa paliwowe (Fuel Cell-FC) zostały zbudowane przez wikariusza angielskiego i fizyka Sir Williama Grove w 1839.  W tym czasie ogniwa uznano za ciekawostkę laboratoryjną (odwrócenie elektrolizy). W połowie XX wieku (1959), angielski naukowiec Francis Thomas Bacon ożywił zainteresowanie tą technologią. On i jego koledzy zbudował 5kW alkaliczną komórkę (1932), która była w stanie zasilać maszynę spawalniczą.

Jego sukces nie pozostał bez odpowiedzi. Pratt & Whitney (USA) zakupił licencjonowany patent od Bacon do produkcji ogniw paliwowych dla misji Apollo, które służyły jako źródło energii elektrycznej i wody pitnej dla astronautów. W tym samym roku Harry Ihrig z firmy Allis-Chalmers Manufacturing zbudował pierwszy pojazd z ogniw paliwowych, ciągnik o mocy dwudziestu koni mechanicznych.

Zasada ogniwa paliwowego
Ogniwo paliwowe jest urządzeniem elektrochemicznym, w którym paliwo wodorowe i tlen łączą się w celu wytworzenia energii elektrycznej, ciepła i wody. Wodór jest przechowywany w naczyniu ciśnieniowym, a tlen jest przyjmowany z powietrza. Ponieważ nie ma procesu spalania, nie są uwalniane żadne szkodliwe emisje, ponieważ jedynym produktem ubocznym jest czysta woda.

Ogniwa paliwowe zasadniczo działa jak odwrócona elektroliza, wykorzystując dwie elektrody oddzielone elektrolitem. Anoda (elektroda ujemna) otrzymuje wodór i tlen jest dostarczany do katody (elektroda dodatnia). Katalizator anody rozprowadza wodór do dodatnio naładowanych jonów wodoru i elektronów. Tlen jest zjonizowany i migruje korytem elektrolitu do części anodowej, gdzie łączy się z wodorem. Wspólna komórka paliwowa daje 0,6 – 0,8 V pod obciążeniem. W celu osiągnięcia wyższych napięć, komórki są połączone szeregowo (zestawy).

 

Obraz pokazuje zasadę działania ogniwa paliwowego:

 

W procesie przekształcania paliwa węglowego w energię, technologia ogniw paliwowych jest dwukrotnie bardziej skuteczna niż proces spalania. Wodór, najprostszy pierwiastek chemiczny (złożony z jednego protonu i jednego elektronu), jest bardzo dobrze reprezentowany w przyrodzie i jest wyjątkowo czysty jako paliwo. Wodór stanowi prawie 90% wszechświata, i jest trzecim najbardziej rozpowszechnionym elementem na powierzchni ziemi. Taka obfitość paliw zapewnia niemal nieograniczoną dostawę czystej energii przy stosunkowo niskich kosztach.