Gdyby zapytać inżynierów motoryzacyjnych, jaki rodzaj silnika będzie napędzał samochody przyszłości, niemal wszyscy odpowiedzą: elektryczny. Dlaczego jednak e-auta zdominowały jeszcze rynku, choć silniki na prąd są powszechnie wykorzystywane? Problemem wciąż pozostaje zapewnienie autonomicznego źródła energii elektrycznej o pojemności umożliwiającej podróżowanie na większe odległości i szybkie doładowanie po jej wyczerpaniu. Mimo ogromnego postępu w technologii akumulatorów, są one wciąż spore i ciężkie, a choć można je doładowywać ze zwykłego gniazdka elektrycznego, odnowienie zapasu energii oznacza co najmniej kilkudziesięciominutową przerwę w podróży. I to tylko w przypadku, jeśli używa się do tego celu superładowarek, których nie da się podłączyć do zwykłego gniazdka i które powodują szybką degradację baterii. Przy zwykłej, ogólnodostępnej technologii ładowania zajmuje kilka godzin. Zdecydowanie wygodniej i szybciej podjechać pod dystrybutor benzyny, oleju lub gazu na stację paliw.
Rozwiązaniem problemu może być zastosowanie ogniw paliwowych. Urządzenia te wytwarzają prąd elektryczny jako bezpośredni efekt reakcji paliwa z tlenem z powietrza. Najwydajniejszym paliwem dla ogniw paliwowych jest czysty wodór. dokładnie ten sam, który spala się w silnikach rakietowych w temperaturze niemal 3 000 st. Celsjusza. Tyle że w ogniwie paliwowym utlenianie zachodzi na zimno, dzięki obecności katalizatora. Nawiasem mówiąc, wodorowe ogniwa paliwowe opracowano właśnie z myślą o wytwarzaniu prądu w statkach kosmicznych.
Wydawać by się mogło, że tak wyrafinowane rozwiązanie długo jeszcze pozostanie domeną pojazdów studyjnych, które można podziwiać jedynie podczas wystaw motoryzacyjnych. jednak na rynku jest już seryjny samochód osobowy, zasilany ogniwami paliwowymi – wspomniana Toyota Mirai.
Mirai (po japońsku „przyszłość”) powstał jako rozwinięcie zaprezentowanego w 2013 r. koncepcyjnego pojazdu Toyota FCV (Fuel Cell Vehicle). W konstrukcji zespołu napędowego wykorzystano też produkowanych wielkoseryjnie elementów pochodzących z hybrydowego napędu Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD), co z jednej strony ma pozytywnie wpływać na niezawodność, a z drugiej pozwalać obniżyć koszty dzięki ekonomii skali.
Mirai to czterodrzwiowy sedan o wielkości porównywalnej z Toyotą Camry. Napęd przenoszony na przednią oś zapewnia sprawdzony w jednostkach HSD silnik elektryczny o mocy 154 KM, zapewniający moment obrotowy 335 Nm. Z jednostek HSD jest również sterujący silnikiem elektroniczny układ PCU (Power Control Unit). Prąd jest dostarczany z akumulatora niklowo-metalowo-wodorkowego o pojemności 1,6 kWh, który magazynuje też energię odzyskiwaną podczas hamowania rekuperacyjnego (silnik elektryczny pracuje wówczas jako generator). Przy większych prędkościach energię elektryczną wytwarza zestaw ogniw paliwowych.
Użyty w Mirai zestaw ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym to nowa konstrukcja o mocy 155 KM. Konstruktorzy Toyoty poinformowali, że udało się im osiągnąć gęstość mocy wynoszącą 3,1 kW/dm3 – dwukrotnie większą, niż w studyjnym poprzedniku. Dla poprawy wydajności systemu, między zestawem ogniw paliwowych a sterownikiem mocy zainstalowano elektroniczny przetwornik, którego zadaniem jest podwyższanie napięcia do 650 V. Jego użycie umożliwiło zmniejszenie liczby ogniw paliwowych i obniżenie masy systemu. W chwilach największego zapotrzebowania na moc, czyli podczas gwałtownego przyspieszania, ogniwa paliwowe wspomagane są przez akumulator.
Zestaw ogniw paliwowych w Mirai waży 56 kg i ma objętość 37 dm3, dzięki czemu udało się go umieścić pod podłogą pojazdu. Pod podłogą umieszczono również dwa zbiorniki wodoru (przedni mieszczący 60 l i tylny o pojemności 62,4 l). Wykonane z wielowarstwowego kompozytu, wytrzymują ciśnienie 70 MPa, a przy tym są lekkie, zaś współczynnik pojemności sprawia, że 5,7% masy pełnych zbiorników to wodorowe paliwo. Wewnętrzna nylonowa wyściółka ma zapewniać wymaganą szczelność, następna warstwa kompozytu o zbrojeniu z włókien węglowych odpowiada za wytrzymałość na ciśnienie i zewnętrzna warstwa kompozytu o zbrojeniu z włókien szklanych – ma dawać odporność na uszkodzenia mechaniczne. Zastosowanie włókien szklanych pozwoliło ograniczyć zużycie drogich włókien węglowych i obniżyć cenę zbiorników przy zachowaniu wymaganych parametrów.
Konsekwencją zastosowania wodorowego paliwa jest czystość gazów wydechowych – to po prostu para wodna. Wodór może być przy tym paliwem odnawialnym, choć sceptycy powiedzą, że do jego uzyskania np. poprzez elektrolizę wody potrzebny jest prąd wytwarzany przez elektrownie (może pochodzić z elektrowni wodnych, wiatrowych bądź słonecznych). Wodór można produkować także kilkoma innymi metodami, co rozwiązuje problem dywersyfikacji źródeł energii. Innym proekologicznym atutem Mirai ma być mniejsze obciążenie środowiska przez czynności eksploatacyjne – nie trzeba zmieniać oleju silnikowego i pasków klinowych, hamowanie rekuperacyjne zmniejsza zużycie okładzin hamulcowych. Inną cechą jest cisza – napęd elektryczny i ogniwa paliwowe nie hałasują.
Wg deklaracji Toyoty, elektryczny napęd może rozpędzić Mirai do prędkości maksymalnej 178 km/h, a zawarty w zbiornikach wodór umożliwić pokonan ie dystansu 480 km na jednym tankowaniu (przy tankowaniu na stacjach nowej generacji 700 km). Uzupełnienie paliwa trwa 3 minuty.
Toyotę Mirai można już kupić w Japonii, lada moment samochód trafi na rynek amerykański. Rozpoczęcie sprzedaży w Europie ma nastąpić we wrześniu, początkowo w Wlk.Brytanii, Danii i Niemczech (przewidywana cena netto na rynku niemieckim to ok. 60 tys. euro), a później również w innych krajach, w miarę rozwoju infrastruktury tankowania wodoru.
źródło: Toyota
Autor: wnp.pl (AG)
