Vodikova gorivna celica je sestavljena iz več membran, ki skupaj ustvarijo dovolj napetosti za pogon elektromotorja. Foto: MMC RTV SLO/Avtomobilnost
V Avtomobilnosti smo preizkusili avtomobil na vodik, toyoto mirai, tudi polnili smo jo na prvi vodikovi polnilnici v Ljubljani. Zdaj nas je zanimalo, kako deluje vodikova gorivna celica? Za razlago smo se obrnili na slovenske študente strojništva in elektrotehnike, ki razvijajo dirkalnik na vodikove gorivne celice.
Oglas
Ekipa Hydroman
Slovenska študentska ekipa Hydroman razvija dirkalnik na vodikove gorivne celice. Z njim sodeluje na mednarodnem tekmovanju H2GP Horizon Hydrogen Grand Prix, ki ga organizira ameriška organizacija Horizon Educational. Projekt združuje teorijo in prakso. Gre za šesturno vzdržljivostno dirko. Ekipe uporabljajo sistem gorivnih celic, izdelati pa morajo celoten avtomobil. Tako lahko teorijo prenesejo v prakso. Tekmovanje združuje znanje elektrotehnike, strojništva in energetike, saj morajo ekipe razumeti delovanje vodikovih gorivnih celic, razviti lastni pogonski sistem ter optimizirati porabo energije na večurni dirki.
Razložili so nam teorijo na šolski tabli. Vodikova gorivna celica pretvarja kemično energijo vodika neposredno v električno energijo. Na strani anode se vodik razcepi na proton in elektron.
Prek posebne membrane, ki prepušča le zelo majhne delce – protone – ti potujejo proti katodi. Elektroni medtem potujejo po zunanjem električnem vodniku do katode. Prav njihovo gibanje ustvarja električni tok. Na strani katode se nato združijo vodikovi protoni, elektroni in kisik. Končni produkt reakcije je voda (H₂O).
Električni tok, ki pri tem nastaja, lahko nato uporabimo za poganjanje električnih sklopov. Pri tem nastaja tudi vodna para, ki jo je treba iz sistema odstranjevati. Avtomobil ima poseben ventil za prepihovanje, ki se občasno odpre in s tlakom vodika izpihne vodno paro, ki se nabere v celici.
Če je te pare preveč, vodik ne more več učinkovito dostopati do anode, zato se reaktivna površina zmanjša in učinkovitost celice pade. Kisik za reakcijo prihaja iz okolice. S pomočjo ventilatorjev v sistem dovajamo zrak, iz katerega dobimo kisik.
Ekipa Hydroman razvija dirkalnik na vodikove gorivne celice za tekmovanje H2GP Horizon Hydrogen Grand Prix. Foto: MMC RTV SLO/Avtomobilnost
Zakaj so potrebni kondenzatorji?
Slovenska študentska ekipa za shranjevanje energije za dirkalni avtomobilček uporablja kondenzatorje. Reakcije v gorivni celici potekajo relativno enakomerno, zato moč ni tako preprosto prilagodljiva kot pri klasičnem motorju. Gorivne celice niso prilagojene temu, da bi neposredno spreminjale moč – kot pri motorju, kjer dodamo ali odvzamemo plin.
VIDEO
Delovanje gorivne celice lahko podrobneje spoznate z ogledom videoreportaže iz oddaje Avtomobilnost na povezavi tukaj.
Bolj so podobne generatorju, ki deluje pri stalnih obratih in dovaja konstantno moč. Zato energijo najprej shranjujejo v električnih kondenzatorjih. Kondenzatorji omogočajo zelo hitro polnjenje in praznjenje. Ko je potrebne več moči, jo preprosto vzamejo iz njih. Tehnično bi lahko uporabili tudi baterijo, vendar pravila tekmovanja dovoljujejo samo kondenzatorje, pravijo študentje.
Ti imajo manjšo kapaciteto in delujejo zgolj kot nekakšen vmesni energijski hranilnik. V večjih strojih, na primer avtomobilu, se sicer uporablja baterija, kondenzator je potreben le na tekmovanju Hydroman.
Sistem uporablja kondenzatorje, ki shranjujejo energijo in omogočajo hitre pospeške dirkalnika. Foto: MMC RTV SLO/Avtomobilnost
Kako je zgrajena gorivna celica?
Svetlosiva plast zgoraj in spodaj je t. i. gas diffusion layer. Njena naloga je, da vodik in kisik enakomerno razporedi po površini membrane. V sredini je ključni element sistema. Črna plast je tako imenovana PEM-membrana – polimerna elektrolitska membrana. Ta prepušča protone, elektronov pa ne. Ko je en tak element sestavljen, nastane t. i. stack oziroma sklop celic. V primeru študentskega avtomobila jih ima gorivna celica 14. Razlog je v napetosti. Ena sama membrana ustvari približno 0,7 volta. Če več celic povežejo zaporedno, se napetost sešteva. Tako dobijo približno 12 voltov. Pri tem je treba dodati, da gre tudi v primeru ekipe Hydroman za enak koncept kot pri baterijah avtomobilov.
Slovenska ekipa Hydroman se z lastno konstrukcijo pripravlja na svetovni finale tekmovanja. Foto: MMC RTV SLO/Avtomobilnost
Zakaj vodik kroži skozi sistem?
V celico zrak dovajajo ventilatorji skozi posebne odprtine, medtem ko vodik potuje po ločenih kanalih. Vodik pride v celico po eni cevi, po drugi pa izstopi. Deloma zato, da se odstrani vodna para, deloma pa zato, ker se vodik sčasoma osiromaši – koncentracija neporabljenega vodika postane manjša.
Optimalna točka delovanja
Med napetostjo in tokom obstaja značilna odvisnost, ki določa optimalno delovanje gorivne celice. Celica v primeru študentskega vodikovega dirkalnika ima v prostem teku približno 12 voltov. Ko jo obremenijo in začnejo vleči tok, napetost začne padati. Zato poskušajo sistem držati v optimalni delovni točki. Pri njihovi celici je to približno med 7,5 in 8 volti ter od 3 do 4 amperi toka.
Ker celica oddaja relativno stalno moč, presežek energije shranijo v kondenzatorjih, od koder energija nato potuje v elektromotor. Ko vozilo pospeši, dodatno moč črpajo iz kondenzatorjev, medtem ko celica še naprej deluje približno v isti optimalni točki.
V središču projekta je gorivna celica, ki iz vodika in kisika proizvaja električno energijo. Foto: MMC RTV SLO/Avtomobilnost
Šest ur dirkanja z omejeno količino vodika
Dirka na tekmovanju traja šest ur. Vsaka ekipa ima na voljo 32 vodikovih kartuš za celotno dirko. Na prvi dirki jih je slovenska ekipa porabila 30, najboljše ekipe pa približno 22. To pomeni, da imajo še veliko prostora za izboljšave. Pravijo, da lahko še veliko naredijo na področju optimizacije – na primer z učinkovitejšim elektromotorjem ali z boljšim nadzorom prepihovanja gorivne celice.
Koliko vodika porabijo?
Brez slovenske konkurence
Na evropski ravni so na tekmovanju močne ekipe iz Češke, Poljske in Slovaške. Hydroman je edina ekipa iz Slovenije, zato se neposredno uvrščajo na svetovno prvenstvo. Finale je lani potekal v Chemnitzu v Nemčiji, letos pa se ekipe selijo v Švico.
Med testiranjem en Hydrostick napolnijo z elektrolizo v približno petih do šestih urah. Če želijo, da vozilo poganja povsem zeleni vodik, proizveden iz vode, je postopek precej počasen. Napolnjen vodik nato porabijo precej hitreje. V vožnji v približno dvajsetih minutah.
Za primerjavo: pri serijskem vodikovem avtomobilu, kot je toyota mirai, je poraba približno en kilogram vodika na sto kilometrov. Pri sistemu študentskega dirkalnika je to približno 0,1 grama na kilometer oziroma 10 gramov na sto kilometrov. Seveda gre za precej manjši sistem z bistveno manjšimi tokovi in močjo.
Delovanje gorivne celice lahko podrobneje spoznate z ogledom videoreportaže iz oddaje Avtomobilnost na povezavi tukaj.
Oglas