Ogniwa paliwowe – brakujące ogniwo

Już w zeszłym stuleciu (a dokładnie w latach 60.) Amerykanie lądujący na Księżycu mieli na pokładzie swojego Apolla ogniwa paliwowe. Zaopatrywały one statek kosmiczny w prąd, a niezwykle pożądanym produktem ubocznym tego procesu były ciepło i woda pitna.

Sama zasada "zimnego spalania" wodoru i tlenu znana jest w fizyce już od dawna - dokładnie od 170 lat. Jednak inaczej niż w wypadku spalania gazów wybuchowych, które świetnie pamiętamy z lekcji chemii, spalanie tlenu i wodoru przebiega mało spektakularnie. Może dlatego ogniwa paliwowe na długi czas popadły w zapomnienie i powróciły do łask dopiero w erze lotów kosmicznych?

Pomysł, żeby również samochody poruszane były przez silniki elektryczne - czerpiące prąd z wodoru za pośrednictwem ogniwa paliwowego - narodził się znacznie później. W 1994 roku Mercedes zaprezentował pojazd Necar 1 - pionierski pod względem zastosowania tego źródła napędu. Do dzisiaj niemiecka firma jest bodaj najbardziej zaawansowana w pracach nad nim, mimo że wciąż przesuwany jest termin rozpoczęcia seryjnej produkcji.

Jednak ostatnio sprawa nabrała przyspieszenia. Mercedes zapowiada już na przyszły rok sprzedaż krótkiej serii modeli klasy B wyposażonych w ogniwo paliwowe. Jego konstrukcja wykorzystywałaby (podobnie jak w rozwiązaniach, nad którymi pracują Opel/GM, Ford, Honda czy Nissan) membranę, przez którą przenikałyby protony. Chociaż wśród kilku różnych rozwiązań akurat to nie jest najbardziej wydajne (sprawność około 50-60 procent), okazało się najlepsze do zastosowania w samochodzie.

Wszystkie ogniwa paliwowe działają na tej samej zasadzie. Składają się z dwóch elektrod z wydrążonymi kanalikami, wykonanych z grafitu albo z metalu. Do anody doprowadzany jest wodór, do katody zaś drugi składnik potrzebny do reakcji, czyli tlen (powietrze). Powierzchnie wewnętrzne elektrod są pokryte katalizatorem, najczęściej platyną lub palladem, a oddziela je od siebie membrana, która w tym układzie jest elektrolitem.

W ogniwie paliwowym Mercedesa stosuje się membranę polimerową. Przepuszcza ona dodatnio naładowane protony, a zatrzymuje elektrony. Jeśli doprowadzić do anody wodór, to z pomocą katalizatora jego atomy rozpadną się na dodatnio naładowane protony, które wędrują w kierunku katody i ujemnie naładowane elektrony. Te drugie - jeśli chcą wejść w reakcję chemiczną - muszą dotrzeć do katody okrężną drogą, omijając membranę.

o ścieżki, którą wędrują elektrony można podłączyć urządzenia "karmione" prądem i wykonujące konkretną pracę na pokładzie samochodu. Żeby ten sprytny plan się powiódł, katoda musi spełniać pewne warunki. Również w jej przypadku pomocą służy katalizator, który cząsteczki tlenu przekształca w postać anionów chętnych do wchodzenia w reakcje i przyciągających wolne elektrony płynące od anody. Membrana w ogniwie paliwowym uniemożliwia bezpośredni przepływ elektronów, wymuszając ich przepływ "objazdem", gdzie po drodze zasilają odbiorniki prądu.

Pojedyncze ogniwa wytwarzają zazwyczaj napięcie o wartości od 0,6 do jednego wolta. Do napędu samochodu to oczywiście nie wystarcza, dlatego grupuje się wiele ogniw, by tworzyły jeden zespół. To pozwala zwiększać napięcie według konkretnych potrzeb.

Co dobrze brzmi w teorii, w praktyce napotyka na wiele trudności. Na przykład podczas mrozu woda powstająca w ogniwie zamienia się w lód. A ponieważ folia membrany musi być nawilżana, trzeba znaleźć jakiś złoty środek. Technikom Mercedesa udaje się dziś uruchomić samochód napędzany ogniwem paliwowym w temperaturze minus 25 stopni.

Inny kłopot sprawiają zanieczyszczenia, które mogą przedostać się do ogniwa wraz z powietrzem. Do pracy urządzenia potrzebna jest tak naprawdę 21-procentowa zawartość tlenu. Szczególnie szkodliwe są siarka i tlenek węgla. Trzeba też zadbać o właściwe chłodzenie, bo woda w pracującym ogniwie może przejść w stan wrzenia i nieodwracalnie je zniszczyć.

Idealna temperatura pracy ogniwa to 80 stopni, ale wymaga ona zainstalowania stosunkowo dużego i drogiego systemu chłodzenia. Technicy VW poszukali innego rozwiązania i stworzyli ogniwo wysokotemperaturowe. Na czym polega trick? Wykorzystali membranę nasączoną kwasem fosforowym. Ma on podobne właściwości jak woda, ale znacznie wyższą temperaturę wrzenia. Zanim jednak zaczną się eksperymenty z wykorzystaniem ogniwa tego rodzaju (w przyszłym roku), trzeba rozwiązać całe mnóstwo problemów technicznych. Na seryjne zastosowanie, mimo że ogniwo to jest tańsze, nie ma jednak co liczyć przed rokiem 2020.

Z dzisiejszego punktu widzenia wydaje się, że ogniwo paliwowe jako źródło napędu samochodów ma przyszłość. Zagadką pozostaje sprawa rzeczywistych kosztów jego wytwarzania i kwestia produkcji wodoru. Bo w odróżnieniu od ropy naftowej, wodór nie jest źródłem energii, które można tak po prostu wydobyć z ziemi i wlać do zbiornika, lecz jest jedynie tej energii nośnikiem.

Tekst: Klaus-Ulrich Blumenstock