Wodór jako proekologiczne źródło energii w aplikacjach do pojazdów samochodowych

Kazimierz Lejda 1, Sylwia Siedlecka 2 Politechnika Rzeszowska Logistyka - nauka Wodór jako proekologiczne źródło energii w aplikacjach do pojazdów samochodowych Wprowadzenie W ciągu ostatnich 20 lat rozwój przemysłu samochodowego gwałtownie przyśpieszył, zarówno w zakresie transportu towarów, jak i osób. Posiadanie własnego pojazdu samochodowego, niegdyś trudno osiągalne dla przeciętnego obywatela, dzisiaj stało się normą. Dotychczas samochody zasilane były głównie benzyną i olejem napędowym. Jednak znaczący skok cen paliw, bardzo duży wzrost liczby pojazdów na drogach, które wpłynęły na ilość emitowanych zanieczyszczeń, przyczyniły się do zaostrzenia wymagań dotyczących zużycia paliwa a także odnośnie limitów emisyjnych składników spalin wydalanych do atmosfery. Z uwagi m.in. na to, że nie da się całkowicie wyeliminować toksycznych związków spalając paliwa ropopochodne, rozpoczęto poszukiwania alternatywnych źródeł zasilania. Jednym z najbardziej korzystnych rozwiązań może być wykorzystanie do tych celów wodoru. Najważniejszymi zaletami stosowania wodoru jako paliwa w samochodach są ekologiczne metody jego wytwarzania oraz przyjazność dla środowiska, gdyż w wyniku jego spalania nie są emitowane żadne szkodliwe związki. Eliminuje to również całkowicie problem związany z emisją CO 2, który jest uważany za jeden z istotnych czynników wpływających niekorzystnie na otoczenie. Ograniczenie emisji CO 2 pozwoli na zmniejszenie problemów dotyczących efektu cieplarnianego oraz występowania smogu nad miastami. W związku z zaletami stosowania wodoru jako źródła zasilania, światowe koncerny samochodowe rozpoczęły prace badawcze rozwijając różnego typu technologie dotyczące napędów z wykorzystaniem wodoru. Użycie wodoru jako paliwa w samochodach Wodór jako źródło zasilania można wykorzystać w pojazdach samochodowych na dwa sposoby. Pierwszym rozwiązaniem jest bezpośrednie spalanie wodoru w tradycyjnym silniku spalinowym, natomiast drugim sposobem jest wykorzystanie w postaci ogniwa paliwowego zasilającego silnik elektryczny, który w efekcie napędza pojazd. Zastosowanie obydwu tych rozwiązań w praktyce wiąże się z mniejszą lub większą ingerencją w układ konstrukcyjny tradycyjnego samochodu. Przy wykorzystaniu wodoru do silnika spalinowego istnieje możliwość zasilania zarówno silnika o zapłonie iskrowym (ZI), jak i samoczynnym (ZS). Jednostki napędowe ZI mają zbyt niski stopień sprężania, który należy zwiększyć w celu uzyskania prawidłowego procesu spalania, natomiast silniki o ZS charakteryzują się za wysokim stopniem sprężania, który trzeba obniżyć. Istnieje również możliwość napędzania wodorem jednostek w systemie dwupaliwowym. Silniki te nie osiągają jednak optymalnych charakterystyk parametrów roboczych m.in. dlatego, że nie ma możliwości wysterowania silnika dwupaliwowego na najbardziej korzystne spalanie wodoru. Rozróżnia się dwie możliwości zasilenia silnika spalinowego wodorem: w postaci sprężonej (gazowej), w postaci skroplonej (ciekłej). 1 Prof. dr hab. inż. Kazimierz Lejda Profesor, Kierownik Katedry Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Rzeszowska 2 Mgr inż. Sylwia Siedlecka Asystent, Katedra Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Rzeszowska Logistyka 6/2014 190

Technologie te można stosować w niemal każdym typie silnika spalinowego, tzn.: przy zasilaniu gaźnikowym, przy wtrysku do układu dolotowego, przy wtrysku do kanału dolotowego w głowicy przed zaworem ssącym, przy bezpośrednim wtrysku do komory spalania. Jednym z najważniejszych problemów jest przechowywanie wodoru w pojeździe. Wodór w odpowiednich warunkach staje się mieszanką silnie wybuchową, co trzeba mieć na uwadze analizując możliwości wypadków drogowych. Obecnie nie ma technologii pozwalającej na zmagazynowanie w pojeździe takiej ilości wodoru, by samochód przejechał porównywalną długość trasy, co samochód zasilany benzyną lub olejem napędowym. Możliwe jest przebycie jedynie kilkuset kilometrowej drogi, podczas gdy niektóre konwencjonalne samochody potrafią pokonać ok. 1000 km. Dlatego wciąż poszukiwane są nowe koncepcje przechowywania wodoru, by w bezpieczny sposób pomieścić większą jego ilość. W zakresie zastosowania silników wodorowych do napędu pojazdów samochodowych pojawiło się już wiele konkretnych rozwiązań, które potwierdziły swoją przydatność eksploatacyjną. Z bardziej znanych aplikacji napędu, gdzie silnik spalinowy jest zasilany wodorem, należy wymienić luksusową limuzynę BMW Hydrogen 7 (rys.1). Rys. 1. Samochód BMW Hydrogen 7 napędzany silnikiem wodorowym. Źródło: [1]. Jednostką napędową w BMW Hydrogen 7 jest 12-cykindrowy silnik o mocy 191 kw (260 KM) i maksymalnym momencie obrotowym, który zapewnia przyśpieszenie do 100 km/h w 9,5 s. Prędkość maksymalna wynosi 230 km/h, ale tylko z tego powodu, że jest ograniczona systemem elektronicznym. Na pełnym zbiorniku wodoru można przejechać ok. 700 km, co stanowi zaletę, gdyż na chwilę obecną infrastruktura stacji z paliwem wodorowym jest wyjątkowo skromna. Wodór w ciekłej postaci jest przechowywany w kriogenicznym zbiorniku high-tech z powłoką izolacyjną z poliestru, zapewniając temperaturę ok. -250 C. Średnie zużycie wodoru wynosi ok. 3,6 kg/100km. W samochodzie zastosowano system dual-fuel, ponieważ silnik jest zasilany zamiennie benzyną, a przełączenie z wodoru na benzynę jest natychmiastowe, bez zauważalnej zmiany parametrów pracy jednostki napędowej. W kontekście ograniczonych możliwości tankowania wodoru, o czym wcześniej wspomniano, jest to dodatkowy atut [1]. Niezwykle interesującym rozwiązaniem jest wodorowy silnik japońskiej firmy Mazda, z tłokiem obrotowym (silnik Wankla), zastosowany w samochodzie marki Mazda Premacy Hydrogen RE (rys.2). 191 Logistyka 6/2014

Podobnie jak w przypadku samochodu BMW Hydrogen 7, silnik ten jest wyposażony w dwupaliwowy układ zasilania wodorowy i benzynowy. W zależności od potrzeb lub uznania kierowcy, w dowolnym momencie można dokonać zmiany systemu zasilania. Silnik wodorowy Wankla posiada pojemność 1308 cm 3 i osiąga moc 120 KM, natomiast maksymalny moment obrotowy wynosi 140 Nm. Rys. 2. Samochód Mazda Premacy Hydrogen RE z silnikiem wodorowym. Źródło: [1]. Zastosowanie wodoru w ogniwach paliwowych Ogniwa paliwowe są urządzeniami zamieniającymi bezpośrednio energię chemiczną reakcji w energię elektryczną. Ogniwo składa się praktycznie z tych samych elementów co zwykła bateria, tzn. katody, anody i dwóch elektrod. Sposób pracy tych dwóch urządzeń różni się jednak od siebie znacząco. Bateria ma zmagazynowaną ilość substratów potrzebnych do przeprowadzenia reakcji chemicznej i po ich wyczerpaniu przestaje pracować, natomiast ogniwo paliwowe nie ma zmagazynowanych substratów i funkcjonuje na podstawie dostarczanego paliwa i utleniacza. Proces ten odbywa się poprzez połączenie wodoru z tlenem. W wyniku zachodzącej reakcji chemicznej powstają produkty w postaci energii elektrycznej, wody i ciepła [2]. Dwie elektrody, katoda i anoda, są rozdzielone elektrolitem lub membraną elektrolityczną przepuszczalną dla jonów. Anoda pokryta platyną pełni rolę katalizatora, umożliwiając jonizację wodoru. Wodór, oddziałując z anodą, oddaje elektron tworząc jon. Następnie dodatnie jony wodoru przechodzą przez elektrolit w stronę katody. W tym samym czasie doprowadzony do katody obojętny elektrycznie tlen reaguje z elektronami i protonami, które dotarły do katody, czego efektem jest powstanie wody i ciepła. Anoda połączona jest z katodą obwodem zewnętrznym, który umożliwia przepływ elektronów i jednoczesne wykorzystanie tak powstałego prądu elektrycznego. Pojedyncze ogniwa można łączyć ze sobą, aby uzyskać odpowiednią moc i napięcie. Schemat typowego ogniwa paliwowego przedstawia rys. 3. Paliwem zasilającym ogniwo może być czysty wodór, bądź paliwo bogate w wodór, np. gaz ziemny. Jako utleniacz można wykorzystać tlen w czystej postaci lub może on być pozyskiwany bezpośrednio z powietrza. Sprawność bezpośredniej przemiany energii chemicznej w elektryczną w ogniwie mieści się w zakresie 45-60%, co jest bardzo dobrym wynikiem w porównaniu do sprawności spalania wewnętrznego współczesnych silników (ok. 30%). Logistyka 6/2014 192

Rys. 3. Schemat działania ogniwa paliwowego. Źródło: [6]. Reakcje zachodzące w ogniwie paliwowym są następujące [6]: na anodzie: na katodzie: 2H 2 4H + + 4e (1) O 2 + 4e 2O -2 (2) następnie jony wodorowe H+ są zobojętnianie zjonizowanym tlenem i powstaje woda: 2O -2 + 4H + 2H 2 O. (3) Rodzaje ogniw paliwowych Podział ogniw paliwowych zależy głównie od rodzaju zastosowanego w nich elektrolitu. Wynika to z tego, że właśnie od niego zależy rodzaj stosowanego paliwa, a także temperatura działania układu. Biorąc jednak pod uwagę, że niektóre wykorzystane jako elektrolit substancje mają bardzo podobne właściwości, jako główny czynnik wpływający na podział uznano temperaturę pracy ogniwa. Dlatego dzielą się one na: niskotemperaturowe, wysokotemperaturowe. Niskotemperaturowe ogniwa Temperatura pracy tych ogniw nie przekracza 250 C. Zaletą jest brak konieczności stosowania termoodpornych materiałów, co obniża koszty produkcji. Kolejną zaletą decydującą o ich zastosowaniu w pojazdach samochodowych jest szybki rozruch,w porównaniu do ogniw wysokotemperaturowych. Natomiast wadą jest brak możliwości reformingu przy takich temperaturach pracy, dlatego też wymagane jest dostarczenie czystego wodoru do ogniwa. Wyjątek stanowi ogniwo DMFC zasilane metanolem. Ogniwa paliwowe niskotemperaturowe dzielą się na [2]: alkaliczne ogniwo paliwowe AFC (Alkaline Fuel Cell), ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), 193 Logistyka 6/2014

ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), metanolowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Aktualnie w zastosowaniach motoryzacyjnych najczęściej wykorzystuje się dwa rodzaje ogniw paliwowych: PEMFC (ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów) oraz PAFC (ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym). Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) - ogniwa te pracują w temperaturach 30 100 C i osiągają sprawność dochodzącą nawet do 60%. Pojedyncza cela wytwarza napięci ok. 1,1V. Membrana ogniwa jest wykonana z materiału organicznego, który umożliwia przenikanie jonom wodoru. Z obydwu stron membrana pokryta jest cienką warstwą metalu, najczęściej jest to platyna, który pełni funkcję katalizatora. Po jednej stronie membrany odpowiadającej anodzie, następuje jonizacja wodoru. Otrzymane elektrony generują w obwodzie prąd elektryczny, a także mogą być wykorzystane na swojej drodze do strony membrany odpowiadającej katodzie, która jest zasilana tlenem. Ogniwa te są zdolne wytworzyć prąd o dużym natężeniu. Sprawność w produkcji energii elektrycznej dochodzi do 65%. Charakteryzują się małą ilością wydzielanego ciepła i elastycznie reagują na zmieniające się warunki poboru mocy. Jedną z największych zalet jest krótki czas rozruchu oraz możliwość stworzenia kompaktowej konstrukcji. Te wszystkie cechy sprawiają, że ogniwa typu PEMFC, najbardziej nadają się do użytku w pojazdach samochodowych. Posiadają one jednak niestety również kilka wad, do których można zaliczyć: bardzo małą tolerancję na związki siarki, konieczność użycia platyny oraz mała tolerancja na tlenek węgla. W ogniwie polimerowym zachodzą następujące reakcje na elektrodach [1]: na anodzie: na katodzie: reakcja końcowa: 2H 2 4H + + 4e (4) O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O (5) 2H 2 + O 2 2H 2 O (6) Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)-elektrolitem jest stężony kwas fosforowy (H 3 PO 4 ). Pozwala on na pracę w temperaturze 150 O C 205 O C przy ciśnieniu 1 bar. Napięcie wytwarzane przez pojedynczą cele wynosi 1,1 V. Paliwem jest wodór, który może być zanieczyszczony dwutlenkiem węgla nawet do 30%, co jest niewątpliwą zaletą. Utleniaczem jest powietrze lub tlen. Elektrody wykonane są z węgla i połączone w szeregowy układ, na szkielecie z grafitu. Wydajność tego typu ogniwa wynosi około 40%. Możliwe jest jednak osiągnięcie aż 80%, przy wykorzystaniu pary wodnej do wytwarzania prądu w układzie kogeneracyjnym. Reakcje przebiegają w następujący sposób [3]: na anodzie: na katodzie: reakcja końcowa: H 2 2H + + 2e - (7) 1 2 O 2 + 2e - + 2H + H 2 O (8) H 2 + 1 2 O 2 H 2 O (9) Logistyka 6/2014 194

Wysokotemperaturowe ogniwa Temperatura pracy tych ogniw zawiera się w granicy 600-700 o C. Dzięki tak wysokiej temperaturze może dochodzić do reformingu lekkich węglowodorów. Dlatego też można zastosować wodór o niskiej czystości, a także lekkie węglowodory, np. metan i metanol. Ogniwa te zachowują wysoką wydajność pracy, bez stosowania metali szlachetnych na elektrodach. Jest to możliwe dlatego, że wysoka temperatura przyśpiesza reakcje zachodzące w ogniwie, co jednocześnie zwiększa ich wydajność. Wysoka temperatura pracy wymaga jednak stosowania materiałów, które muszą wytrzymać wysoką temperaturę pracy ogniwa. Największą wadą jest duża bezwładność czasowa ogniwa. Aby sprawnie pracowało potrzeba czasu na osiągnięcie odpowiedniej temperatury. Właśnie brak możliwości szybkiego uruchomienia wyklucza tego rodzaju ogniwa ze stosowania w transporcie samochodowym. Można rozróżnić następujące typy ogniw paliwowych wysokotemperaturowych: ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), ogniwo cynkowo-powietrzne ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell), ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). Przykłady pojazdów samochodowych z wykorzystaniem ogniw paliwowych Działanie pojazdu samochodowego zasilanego ogniwami paliwowymi przebiega według określonej kolejności (rys.4). Najpierw wodór zostaje dostarczony ze zbiornika do ogniwa (A), gdzie równocześnie doprowadzane jest powietrze przy pomocy turbosprężarki. Następnie prąd stały wytworzony przez ogniwa w wyniku reakcji chemicznej płynie do przetwornicy, a tam zamieniony zostaje na prąd zmienny (B), który z kolei zasila silnik elektryczny. Ostatecznie moment obrotowy z silnika przekazywany jest na koła samochodu (C). Rys. 4. Schemat działania pojazdu z ogniwem paliwowym. Źródło: [4]. Chevrolet Equinox Hydrogen 4 Koncern General Motors w roku 2008 na Międzynarodowym Salonie Samochodowym w Genewie zaprezentował Chevroleta Hydrogen4 (rys.5) [8]. Samochód bazuje na europejskiej wersji Chevroleta Equinox i jest to kolejna prototypowa generacja samochodu wykorzystującego stos ogniw paliwowych jako źródło napędu. Inżynierowie w nowym modelu zdecydowali się zastosować ogniwo paliwowe ze stałą membraną elektrolityczną typu PEMFC. Składa się ono z 440 połączonych szeregowo ogniw paliwowych, co pozwala uzyskać moc do 93kW. Ogniwa są ułożone poziomo, co umożliwiło lepsze wykorzystanie przestrzeni dostępnej w samochodzie. Dzięki kolejnym udoskonaleniom, ogniwo paliwowe daje się uruchomić nawet przy -25 C, co jest ważne szczególnie w klimacie umiarkowanym. Ogniwa są zasilane wodorem w postaci gazowej, z trzech niezależnych zbiorników ciśnieniowych umieszczonych w tylnej części pojazdu. Zbiorniki zostały umiesz- 195 Logistyka 6/2014

czone nisko w konstrukcji pojazdu celem obniżenia środka ciężkości oraz wykonane z kompozytów włókna węglowego, aby ograniczyć ich masę. W ich wnętrzu przechowywany jest wodór pod ciśnieniem 70 MPa, co stanowi 4,2 kg wodoru w postaci gazowej. Zapewnia to zapas energii pozwalającej przejechać do 320 km bez konieczności uzupełniania paliwa. Tlen natomiast do ogniwa jest dostarczany poprzez elektryczną sprężarkę zasysającą powietrze z otoczenia, następnie go spręża i wtłacza pod ciśnieniem do ogniwa. Equinoxa wyposażono w akumulator buforowy, który pozwala na efektywniejsze zarządzanie energią. Wodorkowo-niklowo-metalowy akumulator o pojemności 1,8 kwh pozwala szybko dostarczyć energię silnikowi w czasie gwałtownego przyśpieszania, poprawiając osiągi samochodu oraz skracając czas reakcji pojazdu na wciśnięcie dźwigni przyspiesznika. Akumulator umożliwia także przeprowadzenie hamowania regeneracyjnego, podobnie jak w F1 system KERS (Kinetic Energy Recovery System), który pozwala na odzyskiwanie energii kinetycznej samochodu i zmagazynowanie jej w akumulatorze do ponownego wykorzystania, np. podczas ruszania lub szybkiego przyśpieszania. Chevrolet Equinox jako źródło napędu wykorzystuje 3-fazowy synchroniczny silnik elektryczny, dysponujący mocą ciągłą 73 kw (ok.100 KM) oraz momentem obrotowym 320 Nm. Silnik elektryczny może przez krótki czas osiągać moc 93 kw (ok.125 KM), co wykorzystuje się w trakcie np. wyprzedzania. Napęd pojazdu jest zintegrowany z przekładnią planetarną, pozwalającą zmieniać przełożenia silnika w dużym zakresie przy zachowaniu niewielkich wymiarów zewnętrznych. Silnik Chevroleta pozwala na rozpędzenie pojazdu ważącego 2010 kg od 0-100 km/h w 12 s oraz tego modelu uzyskanie prędkości maksymalnej na poziomie 160 km/h. Niestety, nie można jej utrzymywać przez długi czas z uwagi na niewystarczającą moc ciągłą silnika zastosowanego w pojeździe. Rys. 5. Schemat budowy Chevroleta HydroGen 4. Źródło: [8]. Honda FCX Clarity Na targach w Los Angeles (2012r.) koncern samochodowy Honda zaprezentował kolejną generację samochodu z linii FCX (Fuel Cell Experiment), wykorzystując ogniwa paliwowe jako źródło napędu. Honda FCX Clarity [7] w odróżnieniu od poprzednich pojazdów tego typu zaprezentowanych przez inżynierów Hondy, wszedł do małoseryjnej produkcji (rys.6). W samochodzie zastosowano zbiornik, wewnątrz którego wodór przechowywany jest pod ciśnieniem 34,5 MPa w fazie gazowej. W zbiorniku mieści się 171 litrów wodoru, co przy zużyciu wodoru na poziomie 3,5 l/100km pozwala na przejechanie od 470 km do 570 km zależnie od dynamiki jazdy. Samochód posiada silnik elektryczny o mocy 100kW i wyzwala moment obrotowy do ok. 255 Nm. Pozwala on rozpędzić pojazd o masie 1625 kg do 100 km/h w 9,7s, i osiągać prędkość 160 km/h. Niestety układ napędowy Clarity nie może utrzymywać tej prędkości przez cały czas ponieważ jest to prędkość chwilowa, natomiast stała prędkość Hondy to ok. 120 km/h. Logistyka 6/2014 196

Głównym elementem układu napędowego samochodu jest ogniwo PEMFC typu Flow, co oznacza, że zarówno paliwo jak i utleniacz wewnątrz ogniwa przepływają w kierunku pionowym w dół. To pozwoliło zoptymalizować proces odprowadzania powstałej w czasie pracy wody i przyczyniło się do zwiększenia jednostkowej mocy urządzenia. Stos ogniw paliwowych wykorzystany w tym modelu Hondy, jest mniejszy o 20% od poprzedniego modelu FCX FC Stack a zwiększenie wydajności pozwoliło także zredukować masę ogniwa o 30%. Rys.6. Schemat budowy Hondy FCX Clarity. Źródło: [7]. Wytworzona energia wykorzystywana jest do napędu pojazdu a ewentualna jej nadwyżka magazynowana jest w bateriach Li-ion o pojemności 20kWh, co pozwala na poprawienie reakcji samochodu przy wciśnięciu dźwigni przyśpieszenia. Umożliwia także hamowanie regeneracyjne, odzyskując część energii ruchu w czasie hamowania. Użycie przez inżynierów Zastosowanie baterii o dużej pojemności zapewnia podgrzanie ogniwa przed jego uruchomieniem, dzięki czemu Clarity można uruchomić nawet przy -30 C. Cecha ta umożliwia wykorzystanie układu nawet zimą w klimacie umiarkowanym. Toyota FCHV-adv W roku 2010 koncern Toyota zaprezentował w Waszyngtonie kolejną generację swojego modelu pojazdu w wersji SUV wykorzystującego jako źródło napędu ogniwo paliwowe. Pojazd nazwano Toyota FCHV-adv (Fuel Cell Hybrid Vehicle advanced) [9]. Samochód posiada cztery zbiorniki wodoru o łącznej pojemności 156 litrów. Duża pojemność zbiorników oraz panujące w nich wysokie ciśnienie (70 MPa) pozwala na zmagazynowanie do 6,0 kg wodoru. Paliwo ze zbiorników trafia do ogniwa paliwowego typu PEMFC o mocy 100 kw. Nadwyżka wytworzonej lub odzyskanej energii trafia do akumulatorów NiMH (Nickel Metal Hydride) zdolnych zmagazynować 21 kwh energii. Wykorzystując moc zmagazynowaną w baterii ogniwa Toyoty można uruchomić silnik w temperaturze nawet do -30 C. Pojazd wyposażono w silnik elektryczny posiadający moc 122 KM, a także dysponujący momentem obrotowym w wysokości ok. 260 Nm. Pozwala to SUV-owi Toyoty przyśpieszyć od 0-100 km/h w czasie 11s oraz osiągać prędkość maksymalną na poziomie 155 km/h. Pojazd posiada zużycie paliwa na poziomie 0,8 kg/100km, co pozwala FCHV-adv na pokonanie do 830 km na jednym tankowaniu. Lokalizację głównych zespołów układu napędowego modelu FCHV-adv przedstawia rys. 7. 197 Logistyka 6/2014

Rys.7. Schemat budowy Toyoty FCHV-adv. Źródło: [9]. Tendencje rozwojowe w aplikacjach ogniw paliwowych do samochodów Na chwilę obecną prognozuje się, że do roku 2020 ok. 20 % paliw, które będą zużywane w celach transportowych, powinny stanowić paliwa alternatywne. Zakładany wzrost jest spowodowany wyczerpującymi się złożami ropy naftowej, a także coraz większą presją wywieraną na koncerny samochodowe w aspekcie proekologicznych rozwiązań. Aktualnie wśród paliw alternatywnych prym wiedzie gaz propan-butan, a ostatnio także gaz ziemny. Wodór w chwili obecnej jest jeszcze mało wykorzystywany, natomiast jest paliwem przyszłości. Po wyczerpaniu się zapasów ropy naftowej, wodór może zostać podstawowym paliwem stosowanym w pojazdach samochodowych. Powodem inwestowania w rozwój tego typu technologii jest m. in. nieograniczona dostępność wodoru w otaczającym nas świecie oraz to, że jest paliwem odnawialnym. Co prawda nie jest on dostępny w postaci wolnej, tylko w postaci związków chemicznych, co i tak nie zmniejsza korzyści płynących z zastosowania go jako paliwa. Kolejną zaletą jest wielkość emisji zanieczyszczeń, a właściwie jej brak, ponieważ w wyniku spalania wodoru wytwarzana jest wyłącznie woda, której nie można uznać za zanieczyszczenie. Problemem jest jednak otrzymywanie tego pierwiastka. Metody, które używane są obecnie, wymagają dostarczenia energii, co znacznie podwyższa koszty produkcji. Rozwiązaniem tego problemu może być produkcja wodoru przy użyciu niektórych rodzajów czystej energii, takich jak energia wiatru, wody czy energia słoneczna. Ogromną przeszkodą w rozwoju wszystkich wodorowych technologii jest wciąż brak infrastruktury. Ilość stacji pozwalających na tankowanie wodoru jest znikoma. Dostępne są głównie w największych miastach Europy. W Stanach Zjednoczonych powstają już sieci takich stacji, natomiast w Europie jest zaplanowana budowa takiej infrastruktury, jednak na razie tylko na terenie Anglii i Niemiec. Podsumowując dotychczasowe osiągnięcia w dziedzinie stosowania wodoru w silnikach spalinowych widać, że przemysł motoryzacyjny skupia się jednak bardziej na zastosowaniu wodoru w ogniwach paliwowych. Samochodów z silnikami spalinowymi zasilanymi wodorem powstało bardzo niewiele. Każda firma, która podjęła próbę stworzenia takiego samochodu, wyprodukowała zaledwie od kilkunastu do kilkudziesięciu sztuk. Większość tych pojazdów nie była również dostępna dla przeciętnego użytkownika, lecz skierowana do wybranej grupy testujących osób lub firm. Sprawność silnika spalinowego przy zastosowaniu bezpośrednio wodoru jako paliwa jest jednak niższa od sprawności auta z ogniwami paliwowymi. Logistyka 6/2014 198

Podsumowanie Biorąc pod uwagę fakt, że wodór jest to najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem nie tylko na naszej planecie, ale także w kosmosie, użycie go jako paliwa wydaje się bardzo przyszłościowym rozwiązaniem. Wciąż testowane są nowe metody pozyskiwania H 2. Niestety, te obecnie używane na skalę przemysłową są kosztowne, ponieważ wymagają dostarczenia sporej ilości energii. Rozwiązaniem wydają się być sposoby wytwarzania wodoru przy użyciu energii ze źródeł odnawialnych. Największą zaletą wodoru jest jego znikomy wpływ na środowisko, ponieważ produktem ubocznym spalania H 2 jest tylko woda. Z podsumowania i przeanalizowania zebranych informacji wynikają następujące wnioski: w pierwszym okresie produkcji samochodów napędzanych wodorem należy spodziewać się raczej napędów wykorzystujących ogniwa paliwowe niż bezpośredniego jego zużycia do spalania, samochody wykorzystujące ogniwa paliwowe jako źródło napędu posiadają wyższą sprawność od zasilania bezpośredniego wodorem, głównymi przeszkodami powszechnego wykorzystania ogniw paliwowych jest wysoki koszt ich produkcji oraz słabo rozwinięta sieć dystrybucji wodoru, wykorzystanie wodoru jako paliwa oznacza nieograniczone zasoby paliwa na całym świecie, pojazdy zasilane wodorem posiadają krótszy zasięg od ich odpowiedników zasilanych paliwami kopalnymi, lecz dłuższy od samochodów napędzanych akumulatorami, ogniwa paliwowe w przeciwieństwie do akumulatorów nie wymagają długotrwałego ładowania, samochody napędzane ogniwami paliwowymi nie emitują zanieczyszczeń. Streszczenie W artykule dokonano analizy możliwości zastosowania wodoru w pojazdach samochodowych na podstawie dotychczasowych osiągnięć z tego zakresu oraz wskazano na perspektywę wykorzystania tego rodzaju paliwa w przyszłości. Praca opisuje również zasadę działania ogniw paliwowych najbardziej przydatnych w motoryzacji wraz z zachodzącymi na poszczególnych etapach reakcjami chemicznymi. Dodatkowo, zestawiono aktualnie produkowane ogniwa wykorzystujące różne paliwa, a także zaprezentowano kilka przykładów rozwiązań pojazdów samochodowych wykorzystujących wodór jako źródło energii. W końcowej części artykułu przedstawiono również tendencje rozwojowe w aplikacjach wodoru do samochodów. Abstract HYDROGEN AS AN ECOLOGICAL ENERGY SOURCE FOR AUTOMOTIVE APPLICA- TIONS The article presented an analysis of the possibility of using hydrogen in vehicles on the basis of the achievements in this field and indicated the prospect of using this kind of fuel in the future. This thesis describes the operating principle of fuel cells most useful in automotive and from occurring at various stages of chemical reactions. Additionally, summarizes the current fuel cell manufactured using different fuels and several examples are presented prototype vehicles using hydrogen as an energy source. In the final part of the article also showed the development trends of hydrogen for cars. Literatura [1] Lejda K.: Wodór w aplikacjach do środków napędu w transporcie drogowym. Wydawnictwo KO- RAW, Rzeszów 2013. [2] Małek A., Wendeker M.: Ogniwa paliwowe typu PEM, teoria i praktyka. Publikacje. Politechnika Lubelska 2010. [3] Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2006. [4] http://zssplus.pl/prace_dyplomowe/praca_2_hybrydy.htm [5] http://autokult.pl/2011/11/11/samochody-napedzane-wodorem-jak-to-dziala 199 Logistyka 6/2014

[6] http://www.ogniwa-paliwowe.com/ Logistyka - nauka [7] http://europeanmotornews.com/2010/11/15/honda-to-debut-all-new-electric-vehicle-concept-andplug-in-hybrid-platform-at-la-auto-show/ [8] http://www.automotiveillustrations.com/illustrators/dp_gm_hydrogen-fuel-cell_cutaway.html [9] http://www.ecofriend.com/toyota-to-lease-fuel-cell-powered-fchv-adv-to-japanese- government.html Logistyka 6/2014 200

201 Logistyka 6/2014