Światowy przemysł samochodowy podlega obecnie zmianom związanym z problemami XXI w., spowodowanymi skażeniem środowiska naturalnego, globalnym ociepleniem, produkcją odpadów czy starzeniem się społeczeństw krajów uprzemysłowionych. W związku z tymi zagadnieniami na pierwsze miejsce wysuwają się aspekty dotyczące ochrony środowiska.
Obejmują one rozwiązania takich kwestii jak: emisja toksycznych składników spalin, zagospodarowanie pojazdów wycofanych z użytkowania, zużycie nieodtwarzalnych surowców naturalnych oraz wykorzystanie alternatywnych źródeł energii na wypadek deficytu paliw ropopochodnych. Spełnienie tych wymagań nie jest łatwe, uzyskanie widocznej poprawy stanu środowiska w aspekcie toksyczności spalin wymaga kosztownych, szeroko zakrojonych i kompleksowych działań. Jedną z możliwości rozwiązania tego problemu jest stosowanie w pojazdach ogniw paliwowych. Używane są one również w wielu innych gałęziach przemysłu, jednakże nadal pozostają trudności z ich utylizacją.
Ogniwa paliwowe
Ogniwa paliwowe są czystym ekologicznie źródłem energii elektrycznej. Jedynym produktem chemicznym zachodzących reakcji jest woda, a elektrody nie ulegają przemianom. Pojedyncze ogniwa nie pozwalają uzyskać napięcia powyżej 1 V, ale mniejsza ich masa oraz objętość (w porównaniu z akumulatorami elektrochemicznymi) umożliwia uzyskanie większej koncentracji energii, i to przy zbliżonych wymiarach zewnętrznych.
Pozostaje jednak kwestia starzenia, ponieważ zanieczyszczenia zawarte w paliwie powodują stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieuchronnie ogranicza przepływ jonów wodoru i tlenu, zmniejszając wydajność prądową. Konstruktorzy próbują stworzyć zestawy o żywotności nie mniejszej niż 40 tys. godzin (oznaczałoby to konieczność wymiany całego zestawu co 5-7 lat).
Poza objętością systemu zasilania problemem pozostaje jego masa. Obecnie, przy mocy wyjściowej na kołach ok. 45 kW, masa kompletnej instalacji pozyskiwania wodoru z metanolu (ogniwa, silnika) przekracza 600 kg (14 kg/kW).
Szybki rozwój ogniw paliwowych w zastosowaniach samochodowych jest obserwowany od 2000 r. Testowane są one m.in. w Kalifornii w wyniku współpracy koncernów samochodowych, energetycznych i agend rządowych (Fuel Cell California Partnership). Głównym czynnikiem wpływającym na niewielką obecnie przydatność wodoru jako paliwa samochodowego jest jego mała gęstość energetyczna i problemy z przechowywaniem w pojeździe.
Pierwszym pojazdem z ogniwami paliwowymi, który uzyskał certyfikaty dopuszczające do sprzedaży (koniec 2002 r.), jest Honda FCX. Po aprobacie EPA (The Environmental Protection Agency – Agencja Ochrony Środowiska w Stanach Zjednoczonych) oraz CARB (California Air Resources Board – Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza) auta te są sprzedawane w Los Angeles jako kategoria pojazdów ZEV wg CARB (ZEV – zero emission vehicle, czyli nieemitujące zanieczyszczeń) oraz Tier 2 Bin 1 wg EPA. Moc układu napędowego wynosi 80 kW (I generacja) oraz 107 kW (II generacja certyfikowana przez EPA i CARB w 2005 r.). Uważa się, że pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi będą powszechnie dostępne już od 2010 r.1 Barierą w ich rozpowszechnieniu jest obecnie brak dostatecznej liczby stacji dystrybucji wodoru.
Typowe ogniwo paliwowe zawiera dwie elektrody oraz membranę wykonaną z tworzywa organicznego. Umożliwia ono przenikanie jonom wodoru. Z obu stron membrana jest pokryta cienką warstwą metalu (najczęściej platyną), będącego zarazem katalizatorem. Zamiast platyny może być stosowana jej kombinacja z rutenem. Komercyjne materiały membran stanowią jonoprzewodzące, fluorowane kopolimery kwasu sulfonowego. Jednakże w celu zabezpieczenia ogniw przed zamarzaniem wykorzystuje się nowoczesne rozwiązania, polegające na stosowaniu związków aromatycznych (rys.). Powoduje to wzrost liczby jonów przewodzących (SO3–), zmniejszenie rezystancji membrany i obniżenie jej temperatury pracy. Natomiast elektrody oraz płyty chłodzące zbudowane są z przewodzącego tworzywa termoutwardzalnego (żywicy fenolowej i estrów winylowych) lub żywic termoplastycznych (np. polipropylen lub polietylen o dużej zawartości grafitu).


Rys. Nowoczesne rozwiązanie membrany elektrolitycznej w ogniwach paliwowych2

Wytyczne recyklingu
Dokumentem, który reguluje wytyczne dotyczące recyklingu ogniw paliwowych (lub ich elementów), jest norma SAE J2594. Zawarte w niej zostały wytyczne dotyczące konstrukcji ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów (PEM). Wprowadzono również klasyfikację komponentów możliwych do wykorzystania w procesie recyklingu. Recykling tych elementów jest ograniczony wieloma wskaźnikami, m.in. dostępną technologią separacji materiałów oraz kosztami ich odzyskiwania. Jednym z ważniejszych kryteriów jest fakt, iż pojazdy te mają znacznie ograniczony udział stali (do 80%) w swojej budowie w porównaniu do pojazdu konwencjonalnego. Powoduje to znaczą redukcję materiałów podlegających recyklingowi. Kolejną przesłanką jest masa płyt grafitowych, która stanowi ok. 20% masy napędu, więc ich recykling może być nieopłacalny. Natomiast elektrody bipolarne stanowią ok. 70-80% masy ogniwa paliwowego. Zawierają one żywice fenolowe, których wzrost wykorzystania jest 18-krotny w stosunku do obecnych pojazdów. Pod tym względem prowadzone są badania nad technologicznymi możliwościami ich przetwarzania i ponownego wykorzystania. Zawartość metali szlachetnych w ogniwie paliwowym jest ok. 15 do 200 razy większa niż w obecnych układach katalitycznych pojazdów konwencjonalnych. Sposób ich pozyskiwania może być spójny z recyklingiem reaktorów katalitycznych.
 
Żródła
2.      Honda Fuel Cell Power FCX. Press information. 12.2004.
 
prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz,
Ireneusz Pielecha,
Jacek Pielecha
Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Poznańska