Transportowa rewolucja – ogniwa typu PEM wchodzą do gry

Oczekiwana poprawa jakości i czystości transportu może być osiągnięta dzięki alternatywnym źródłom energii. Technologia pojazdów wodorowych to w dalszym ciągu rozwijająca się gałąź transportu. Wśród dostępnych rozwiązań nie da się przejść obojętnie obok ogniw paliwowych typu PEM (proton exchange membrane), które mogą w znaczny sposób przyczynić się do poprawy jakości środowiska. Jakie więc zalety i wyzwania niesie ze sobą transport wodorowy oparty o technologię ogniw PEM? 

W ostatnich latach sektor transportu stał się jednym z głównych czynników przyczyniających się do pogorszenia stanu powietrza. W celu zahamowania postępującej degradacji środowiska ludzkość poszukuje różnych alternatyw, które wpłyną pozytywnie na wzrost jakości powietrza. Jedną z nich są wodorowe ogniwa paliwowe typu PEM.

Technologia ogniw paliwowych typu PEM

Ogniwa wodorowe typu PEM w wielkim uproszczeniu (patrząc od strony dostarczania wodoru) składają się z anody, membrany i katody. Anoda składa się z:

• kanału dopływowego anodowego - to tam jest dostarczany wodór,
• elektrody anodowej - to tam wodór rozdziela się na proton i elektron.

Następnie cząsteczka wodoru pozbawiona elektronu (proton) dyfunduje (przechodzi) przez membranę przepuszczającą tylko protony (elektrolit), natomiast elektron przechodzi obwodem zewnętrznym do elektrody katodowej. Katoda natomiast składa się z:

• katodowego kanału dopływowego - który dostarcza powietrze,
• elektrody katodowej - to tam tlen z powietrza łączy się z wodorem i elektronem wędrującym obwodem zewnętrznym.

Transport korzysta z wodoru jako nośnika energii na różne sposoby - jednym z nich jest omawiana technologia ogniw typu PEM. W wyniku reakcji elektrochemicznych zachodzących w ogniwie paliwowym energia chemiczna zostaje bezpośrednio zamieniona w energię elektryczną. Opisany sposób konwersji energii oferuje wysoką sprawność procesu ze względu na brak ograniczeń wynikających z teorii maszyn cieplnych. Jedynym emitowanym produktem ubocznym procesu konwersji jest para wodna, która również uważana jest za gaz cieplarniany, jednak jej obecność w środowisku jest nieunikniona. Wodór może stanowić obok ogniw litowo-jonowych podstawę niskoemisyjnej gospodarki, a wprowadzenie transportu wodorowego może poprawić stan środowiska oraz niezależność energetyczną naszego kraju.

Zalety i przewagi ogniwa PEM

Wodorowe ogniwa paliwowe można zastosować w wielu branżach m.in. w energetyce, zwłaszcza w sytuacjach, kiedy energia musi zostać dostarczona w trudno dostępne miejsca. Na przykład do budowy robotów autonomicznych, systemów zasilania alarmowego, czy technologii kosmicznych (sond i statków). Przyszłość technologii ogniw wodorowych rozbudza również wyobraźnię wizjonerów motoryzacji. 

Istnieją dwie technologie ogniw paliwowych wykorzystywanych w transporcie. Obok wspomnianych już wcześniej ogniw PEM istnieją również ogniwa typu SOFC (Solid oxide fuel cell). Nie można jednak nazwać tych technologii konkurującymi ze sobą, ze względu na różne parametry pracy. Temperatura pracy ogniwa typu PEM wynosi około 60 ℃, w przypadku ogniw SOFC może to być nawet 1000 ℃. Z tego powodu ogniwa typu SOFC znajdują zastosowanie na przykład w kolejnictwie, gdzie dłuższy czas interwałów korzystania z ogniw sprzyja osiągnięciu tak wysokich temperatur pracy. Nagrzewanie ogniwa do przykładowych 1000 ℃ w mroźny poranek, w samochodzie osobowym, byłoby kłopotliwe. 

Skrojone pod transport indywidualny?

I tu rysuje się kolejna przewaga ogniw typu PEM w transporcie indywidualnym. Krótki czas rozruchu, porównywalny z czasem startu silnika tłokowego kreuje te urządzenia jako substytut silników spalinowych. Czas potrzebny na uruchomienie takiego ogniwa jest porównywalny z silnikami tłokowymi. Warto również wspomnieć o zalecie ogniw paliwowych typu PEM w stosunku do silników tłokowych i turbin spalających wodór. Ogniwa te nie generują zanieczyszczeń w postaci tlenków azotu, co w przypadku silników spalania wewnętrznego jest nieuniknione. 

Urządzenia zamieniające bezpośrednio energię chemiczną wodoru w prąd elektryczny charakteryzują się bezdźwięcznym działaniem, co przenosi się na komfort akustyczny w kabinie. Niska gęstość energetyczna magazynowania wodoru, spośród wielu wad, może również być zaletą. Przykładem mogą być autobusy wodorowe, w których zbiorniki na wodór zostały umieszczone na dachu, co pozwoliło wygospodarować więcej miejsca w kabinie. Atutem opisywanej technologii jest również jej skalowalność. Pojedyńcze ogniwo ma rozmiar płytki o wymiarach kilkanaście na kilkanaście milimetrów. Takie ogniwa można łączyć równolegle bądź szeregowo, uzyskując oczekiwane wartości napięć lub prądów. 

Ograniczenia technologii ogniw PEM

Oprócz wielu atutów, ogniwa typu PEM i technologie z nimi powiązane mają również wady. Urządzenia te charakteryzują się wysokimi cenami. Koszty przede wszystkim mogą generować drogie materiały m.in. nafion w membranie oraz platyna obecna w warstwie katalitycznej. Pomimo to, prognozowane są spadki kosztów produkcji ogniw wodorowych ze względu na rozwój technologii i metod produkcji. 

Kolejną z przeszkód rysujących się dla technologii wodorowych na świecie jest słaba infrastruktura dostarczająca wodór. Niestety, aby w pełni korzystać z potencjału ogniw typu PEM konieczna jest rozbudowa infrastruktury do produkcji i dystrybucji wodoru. Obecnie w Polsce oprócz kilku stacji wodorowych dostępnych dla miejskich przedsiębiorstw komunikacyjnych, nie ma ani jednej komercyjnej stacji wodorowej. Pomimo wielu trudności, liczba pojazdów tego typu wciąż wzrasta, infrastruktura się rozwija, a wiele organizacji – w tym Unia Europejska, popiera regulacje odnoszące się do ekologii i elektromobilności. 

Ograniczone możliwości magazynowania wodoru

Kolejną już, paradoksalnie wymienioną wcześniej wśród zalet, wadą technologii wodorowych jest magazynowanie tego pierwiastka. Mówiąc w skrócie, wszystkie dostępne komercyjnie metody magazynowania oferują niską gęstość energetyczną przechowywanego wodoru. Dla porównania, zbiorniki Toyoty Mirai mają objętość około 150 litrów, natomiast w przypadku klasycznego samochodu hybrydowego jest to 50 litrów. Różnica 100 litrów pojemności zbiorników ukrytych pod tylną kanapą ma wpływ na przestronność kabiny pasażerskiej lub bagażnika. 

Konieczność nawilżania ogniwa 

Na koniec warto się zagłębić w meandry technologii ogniw paliwowych typu PEM. Problemem może być start ogniwa w temperaturach poniżej zera. Aby ogniwo dobrze funkcjonowało, musi być nawilżone wodą. Woda zawarta w ogniwie może zamarznąć, co spowoduje problemy ze startem ogniwa lub naprężenie materiału wewnątrz urządzenia. Kolejnym wyzwaniem jest utrzymanie odpowiedniej wilgotności dostarczanych gazów. Parametry wyjściowe ogniwa takie jak prąd czy moc są ściśle powiązane z nawilżeniem gazów wlotowych, co może wymusić stosowanie na przykład dodatkowego nawilżacza gazów wlotowych.

Przyszłość ogniw PEM

Transport wodorowy napędzany ogniwami PEM jest obiecującym rozwiązaniem dla potrzeb zrównoważonego i czystego transportu przyszłości. Ogniwa PEM umożliwiają produkcję energii elektrycznej poprzez reakcję wodoru i tlenu, bez emisji szkodliwych substancji. Wodór, wraz z rozwojem technologii magazynowania, może się stać łatwym do przechowywania i transportowania nośnikiem energii, co czyni go atrakcyjnym dla zastosowań w transporcie. Choć obecnie jest jeszcze wiele wyzwań związanych z rozwojem tej technologii, to jednak prognozy wskazują na dalszy rozwój i rosnące zainteresowanie transportem wodorowym w nadchodzących latach. Warto również uwzględnić zainteresowanie wielkich korporacji takich jak Hyundai lub Toyota wodorem. Jest to dobry prognostyk na przyszłość dla tej technologii.

Źródła: Technologie Energetyczne, Mechanical Engineers’ Handbook, Energetyka Wodorowa, Fuel Cell Fundamentals.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Michał Przepiórski