Wodór pod maską

W roku 1800 uczeni Nicholson i Garlisle dokonali po raz pierwszy
elektrolizy wody: podłączywszy do prądu stałego zanurzone w zakwaszonej
wodzie anodę i katodę otrzymali tlen i wodór. 39 lat później William Grove,
brytyjski sędzia i uczony, odkrył, że reakcja elektrolizy wody jest odwracalna
i łącząc wodór z tlenem, w odpowiednim środowisku, można wytwarzać prąd
elektryczny. Tak powstało pierwsze ogniwo paliwowe.Już kilka miesięcy później Niemiec Moriz Jakopi zbudował łódź napędzaną
ogniwami paliwowymi. Ponieważ do budowy użył platyny, konstrukcja okazała
się bardzo droga i eksperymentów na długi czas zaniechano.

Dopiero w 1965 r. naukowcy z NASA zastosowali unowocześnione ogniwa
paliwowe do zasilania radiostacji statków kosmicznych oraz do wytwarzania
na nich wody. Do końca lat 80. ogniwa paliwowe uważano za zbyt kosztowne,
bo cena wytworzenia 1 kilowata sięgała 100 000 dolarów.
Czyste, bezszmerowe elektrownie
Rozwój technologii, wymuszony m.in. lotami kosmicznymi, a także naciski
ekologów spowodowały, że ponownie zainteresowano się tymi idealnymi maszynami
do wytwarzania prądu. Bezawaryjnymi i przyjaznymi środowisku naturalnemu
źródłami prądu najbardziej interesuje się przemysł motoryzacyjny, bo ekonomia
i konkurencja zmusza go do zwiększania sprawności napędu, a przepisy ekologiczne
do ograniczania emisji zanieczyszczeń.

Teoretyczne obliczenia wykazują, że koszty eksploatacji auta z ogniwem
paliwowym będą o 25 proc. niższe niż takiego samego samochodu z silnikiem
benzynowym.
Mocny, ale niebezpieczny
W ogniwie jako paliwo najprościej byłoby stosować wodór, ale ponieważ
bezpośrednie operowanie wodorem jest bardzo niebezpieczne, konstruktorzy
zdecydowali się wykorzystać gaz ziemny, którego głównym składnikiem (około
90 proc.) jest metan, a w drugiej kolejności najbezpieczniejszy - metanol.
W ogniwie paliwowym łączy się wodór dostarczany przez anodę i tlen transportowany
przez katodę. Elektrody oddziela elektrolit lub specjalna membrana. Anoda
jest pokryta platyną, która pełni rolę katalizatora. Elektrony przepływają
przewodem z anody do katody, wykonując po drodze pracę - np. napędzając
silnik elektryczny.

Oprócz prądu w elektrochemicznej reakcji powstaje także woda. Jako
paliwo mogł też być wykorzystywane bogate w wodór gaz ziemny, propan, metanol,
węglowodory. Utleniaczem w procesie zawsze jest tlen, który może być dostarczany
w czystej postaci lub pozyskiwany bezpośrednio z powietrza. Anoda i katoda
muszą być wykonane z materiału porowatego, aby gazy (wodór i tlen) stykały
się z elektrolitem na jak największej powierzchni. Ogniwo paliwowe produkuje
tym więcej energii, im większy jest przepływ gazów i ich ciśnienie.
Volt do volta
Między elektrodami możemy uzyskać napięcie o wartości od 0,6 do 0,9
V, moc waha się w granicach od 0,3 W do 0,6. Po zestawieniu ogniw w pakiet
można otrzymać moc 30 - 50 kW, przy wielkości urządzenia umożliwiającej
umieszczenie go w samochodzie osobowym. Sprawność takiego ogniwa waha się
w granicach 50 - 65%. Stos ogniw o powierzchni metra kwadratowego jest
w stanie generować setki kilowatów.

Ta samochodowa elektrownia nim zacznie działać musi być podgrzana do
80 - 100 stop. C, później energii dostarcza już chemoreakcja. Jeżdżące
już prototypy samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi potrzebują ok.
3 min na rozruch z dodatkowego źródła energii. Bezwładność ogniw jest znaczna,
trudno uzyskać więcej prądu po wciśnięciu pedału przyspieszenia.

Obecnie, przy mocy 45 kW, masa kompletnej instalacji pozyskiwania wodoru
z metanolu, ogniwa, silnika itd. przekracza 600 kg (ok. 14 kg/1 kW).
Gdy nadchodzi starość
Pozostaje także problem starzenia się ogniw paliwowych. Zanieczyszczenia
zawarte w paliwie powodują stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co
nieuchronnie ogranicza przepływ jonów wodoru i tlenu, zmniejszając wydajność
prądową. Konstruktorzy starają się stworzyć zestawy o żywotności nie mniejszej
niż 40.000 godzin (co będzie oznaczało konieczność wymiany całego bloku
co 5 - 7 lat).