Gorive ćelije u vozilima proizvode električnu energiju za pogon motora, općenito koristeći kisik iz zraka i komprimirani vodik
Prema definiciji postoje samo dva načina za napajanje modernog automobila. Većina automobila na cesti danas koristi motor s unutarnjim izgaranjem za sagorijevanje goriva na bazi nafte, generiranje topline i guranje klipova gore i dolje za pogon mjenjača i kotača. Električni automobili rade potpuno drugačije. Umjesto motora s unutarnjim izgaranjem, oni se oslanjaju na baterije koje daju električnu energiju elektromotorima koji izravno pokreću kotače. Hibridni automobili imaju i motore s unutarnjim izgaranjem i elektromotore te se prebacuju s jednog na drugi ovisno o uvjetima vožnje. Prvi komercijalno proizveden automobil na vodikove gorive ćelije je bio Hyundai Tucson FCEV, koji je izašao na tržište 2013., Toyota Mirai je slijedila 2015., a zatim je Honda Clarity 2016. ušla na tržište, pa Hyundai Nexo 2018. Gorive ćelije se također razvijaju i testiraju u kamionima, autobusima, brodovima, viličarima, motociklima i biciklima, među ostalim vrstama vozila.
Gorive ćelije su nešto između motora s unutarnjim izgaranjem i snage baterije. Poput motora s unutarnjim izgaranjem, one stvaraju energiju korištenjem goriva iz spremnika (iako je gorivo pod tlakom vodikov plin, a ne benzin, plin ili dizel). Ali, za razliku od motora, gorive ćelije ne spaljuju vodik. Umjesto toga, vodik se kemijski spaja s kisikom iz zraka kako bi stvorio vodu. U procesu, koji podsjeća na ono što se događa u bateriji, oslobađa se struja koja se koristi za napajanje električnog motora (ili više njih) koji može pogoniti vozilo. Jedini otpadni proizvod je voda - i tako je čista da ju možete piti! Samim procesom se neposredno usisava 'prljavi' zrak iz okoliša i kroz sustav čisti. I naravno, stvara se i toplinska energija.
No, kritičari vodikovih gorivih ćelija tvrde da, iako te ćelije ne emitiraju ugljik nakon spaljivanja, one daju dušikov dioksid i druge emisije. Dušikov dioksid je otrovni plin i još uvijek može biti štetan po ljude. Osim toga, oni sumnjaju da će vodik biti učinkovit ili ekonomičan za automobile u usporedbi s drugim tehnologijama s nultim emisijama. U usporedbi s vozilima s unutarnjim izgaranjem, vozila na vodikove gorive ćelije centraliziraju onečišćujuće tvari na mjestu proizvodnje vodika, gdje se vodik obično dobiva iz reformiranog prirodnog plina. Transport i skladištenje vodika također mogu stvoriti onečišćujuće tvari. Ipak, i za ovu tehnologiju potrebno je izgraditi mrežu punionica vodikom, koje izgledaju kao uobičajene punionice za struju.
Kad razmišljate o gorivim ćelijama zamislite da se radi o baterijama koje se nikad ne isprazne. Umjesto polaganog trošenja kemikalija u njima (kao kod normalnih baterija), gorive ćelije rade na stalnom dotoku vodika i nastavljaju stvarati struju sve dok u spremniku ima goriva, u ovom slučaju vodika.
Princip rada
Kako gorive ćelije proizvode električnu energiju iz vodika?
Ono što se događa u gorivoj ćeliji naziva se elektrokemijska reakcija. To je kemijska reakcija, jer uključuje dvije kemikalije koje se spajaju, ali to je i električna reakcija jer se električna energija proizvodi dok kemijska reakcija traje.
Goriva ćelija ima tri ključna dijela slična onima u bateriji. Ima pozitivno napunjeni spremnik, negativno napunjeni spremnik i odvajajuću kemikaliju nazvanu elektrolit između dva spremnika koja ih razdvaja.
Evo kako goriva ćelija proizvodi električnu energiju:
1. Plin vodik iz spremnika dovodi se kroz cijev do pozitivnog spremnika. Vodik je zapaljiv i eksplozivan, tako da spremnik mora biti izuzetno čvrst. Standardno može izdržati pritisak do 700 bara.
2. Kisik iz zraka spušta se drugom cijevi prema negativnom spremniku.
3. Pozitivni spremnik izrađen je od platine, plemenitog metala, katalizatora koji je dizajniran da ubrza kemijsku reakciju koja se događa u gorivoj ćeliji. Kada atomi plinovitog vodika dosegnu katalizator, razdvajaju se u vodikove ione (protone) i elektrone. Pojednostavljeno, vodikovi ioni su jednostavno atomi vodika iz kojih su maknuti elektroni. Budući da imaju samo jedan proton i jedan elektron, vodikov ion je ista stvar kao i proton.
4. Negativni spremnik privlači protone, koji su pozitivno nabijeni, i oni putuju kroz elektrolit prema njemu. Elektrolit je tanka membrana izrađena od posebnog polimernog (plastičnog) filma i kroz nju mogu proći samo protoni.
Elektroni u međuvremenu teku kroz vanjski krug.
6. Dok to rade, oni napajaju električni motor koji pokreću kotače automobila. Na kraju, oni stižu i do negativnog spremnika.
7. U negativnom spremniku, protoni i elektroni se rekombiniraju s kisikom iz zraka u kemijskoj reakciji kojom se proizvodi voda.
8. Voda se ispušta iz ispušne cijevi kao vodena para s kapljicama vode ili samo kao čista plinovita para.
Ova vrsta gorivih ćelija naziva se PEM (neki navode da je to skraćenica od 'polimerna izmjenjiva membrana', a drugi 'membrana za izmjenu protona', jer uključuje razmjenu protona preko polimerne membrane). One će raditi sve dok postoje zalihe vodika i kisika. Budući da u zraku uvijek ima dovoljno kisika, jedini ograničavajući faktor je količina vodika u spremniku.
Pogledajmo primjer jednog automobila koji radi na gorive ćelije, ali i kao potpuno električni.
Mercedes-Benz GLC F-CELL je jedinstveni plug-in hibrid, koji osim na električnu energiju može raditi i na čisti vodik. Ovaj SUV je potpuno električno vozilo pogodno za svakodnevnu uporabu, koje tijekom rada ne emitira emisije CO2. Uzajamno djelovanje baterije i gorive ćelije, dugi raspon i kratko vrijeme punjenja goriva čine vozilo GLC F-CELL vozilom koje se može pohvaliti visokom svakodnevnom praktičnošću. Dva spremnika od ugljičnih vlakana u podu vozila sadrže 4,4 kg vodika. Zahvaljujući globalno standardiziranoj tehnologiji spremnika od 700 bara, dovod vodika se može dopuniti za samo tri minute - što je brže nego kada se automobil s motorom s unutarnjim izgaranjem napuni gorivom. Uz potrošnju vodika od oko 1 kg / 100 km, GLC F-CELL postiže oko 430 kilometara baziranih na vodiku u NEDC ciklusu; u hibridnom načinu rada dodatno isporučuje do 51 km s potpuno napunjenom baterijom. Istovremeno, snaga od 155 kW pomaže u osiguravanju visoke vozne dinamike.Njegova je kombinirana potrošnja vodika: 0,34 kg / 100 km, kombinirane emisije CO2: 0 g / km, kombinirana potrošnja električne energije: 13,7 kWh / 100 km) pogon baterije koja se može napuniti izvana uporabom plug-in tehnologije.
Postoje četiri načina rada ovog modela:
HYBRID: vozilo crpi energiju iz oba izvora energije. Vršna napajanja (peak) rješavaju se baterijom, dok goriva ćelija radi u optimalnom rasponu učinkovitosti.
F-CELL: stanje napunjenosti visokonaponske baterije održava se konstantnom energijom iz gorive ćelije.Troši se samo vodik iz spremnika. Ovaj je način idealan za stalna krstarenja na velike udaljenosti.
BATERIJA: GLC F-CELL vozi potpuno električno i napaja se visokonaponskom baterijom. Sustav gorivih ćelija ne radi. Ovo je idealan način rada za kratke udaljenosti.
CHARGE (punjenje): punjenje visokonaponske baterije ima prioritet, na primjer, kako bi se baterija napunila za maksimalni ukupni raspon prije punjenja gorivom s vodikom ili za stvaranje rezervi snage.
U svim načinima rada sustav ima funkciju oporavka energije, koja omogućuje oporavak energije tijekom kočenja ili zaustavljanja i pohranjivanje u bateriju.
