Toyota Mirai. Jak działa napęd auta na wodór?

Samochody elektryczne na baterie

Rozwój aut elektrycznych postępował od początku 20. wieku. Choć samochody na baterię mają długą tradycję i dekady rozwoju za sobą, okazuje się, że postęp technologiczny w praktyce przyniósł ograniczone rezultaty. Na przykład model Detroit Electric z 1916 roku wyposażony w baterie niklowo-żelazowe miał zasięg 340 km, a jego ładowanie trwało 8 godzin. Dla porównania, jak podaje Electric Vehicle Database, w 2020 roku średni zasięg samochodów elektrycznych wynosił 313 km. Z kolei z raportu portalu pod-point.com dowiadujemy się, że średni czas ładowania samochodów elektrycznych w 2020 roku to 8 godzin. Dlatego poszukiwane są rozwiązania, które pozwolą korzystać z silnika elektrycznego, zastępując magazynowanie energii elektrycznej w ciężkich i wymagających czasochłonnego ładowania akumulatorach. Obecny poziom rozwoju technologii wodorowych ogniw paliwowych stwarza podstawy dla tej równoległej drogi elektryfikacji samochodów.

Toyota Mirai – elektryczny samochód z własną elektrownią wodorową

Toyota Mirai jest samochodem elektrycznym, który nie wymaga czasochłonnego ładowania baterii. Dzięki ogniwom paliwowym Mirai wytwarza energię potrzebną do zasilania silnika na bieżąco w czasie jazdy. Energia elektryczna powstaje na skutek reakcji chemicznej tlenu z wodorem w ogniwie paliwowym. Jedyną „spaliną” tej reakcji jest… woda.

Toyota rozwija technologię wodorową od 29 lat

Już w 1992 roku Toyota zaprezentowała pierwszy prototyp elektrycznego auta wodorowego – zbudowany na nadwoziu RAV4. Auto pokazano na paradzie w Osace. W 1996 roku Toyota zaprezentowała trzy równolegle rozwijane linie napędów alternatywnych – hybrydowy, elektryczny na baterię oraz elektryczny wodorowy. W 1997 roku hybrydowy Prius wszedł do produkcji seryjnej, a Toyota skupiła się na kolejnych etapach rozwoju elektrycznej technologii wodorowej. W efekcie kolejne prototypy FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) budowano już na nadwoziu większego modelu – Highlandera. Jedno z rozwiązań zakładało nawet bardzo skomplikowany projekt stworzenia auta, w którym wodór jest najpierw produkowany w procesie reformingu parowego etanolu lub węglowodorów, a następnie trafia do ogniw paliwowych, gdzie w reakcji z tlenem daje prąd napędzający silnik elektryczny.

Do 2001 roku powstały trzy kolejne wodorowe prototypy zbudowane na bazie Highlandera – FCEV-3, FCEV-4 i FCEV-5. Miały one 4 razy więcej mocy niż pierwszy FCEV i posłużyły do testów drogowych, a FCEV-4 otrzymał homologację. W tym samym czasie Toyota rozpoczęła prace nad wodorowym autobusem, czego efektem jest oferowany obecnie model SORA.

W 2002 roku Toyota uzyskała licencję na sprzedaż samochodów napędzanych wodorem i dostarczyła pierwsze egzemplarze do klientów w Japonii i USA. Wodorowy samochód oparty na Highlanderze nie był jeszcze jednak produkowany masowo.

Kolejnym krokiem w rozwoju technologii ogniw paliwowych był koncepcyjny model FCHV-Adv z 2008 roku. W drugiej dekadzie wieku Toyota opracowała pierwszy model zaprojektowany od początku jako auto wodorowe. Był to koncepcyjny sedan FCV, którego rozwinięcie stanowił sedan Mirai. Konstrukcja ta była już na tyle dojrzała, że Toyota wdrożyła model Mirai do seryjnej produkcji i w grudniu 2014 roku rozpoczęła jego sprzedaż w Japonii, a w 2015 roku wprowadziła go na rynki Europy i USA.

Mirai drugiej generacji wprowadził program rozwoju technologii elektrycznych aut na wodór na kolejny etap. W pełni funkcjonalny, komfortowy i stylowy Mirai 2 w niczym nie ustępuje samochodom konwencjonalnym, a jednocześnie zapewnia elektryczną bezemisyjność. I jest to pierwszy seryjny elektryczny samochód Toyoty oczyszczający powietrze w czasie jazdy.

Jak działa napęd Toyoty Mirai?

Zestaw ogniw paliwowych Toyoty Mirai to generator prądu, wytwarzanego w reakcji wodoru i tlenu w obecności katalizatora. Energia elektryczna powstaje w nim na zasadzie odwróconej elektrolizy wody – procesu znanego od początku 19. wieku. Ogniwo paliwowe składa się z anody (elektrody ujemnej), katody (elektrody dodatniej) i membrany polimerowej. Wodór jest dostarczany do ogniwa po stronie anody, gdzie zostają od niego oddzielone elektrony. W ten sposób powstają jony wodoru, które przedostają się przez membranę polimerową do katody i tam łączą się z tlenem, tworząc cząsteczki wody. Przepływ elektronów uwolnionych w tej reakcji staje się energią elektryczną, która napędza silnik.

Napęd Mirai opiera się na technologiach hybrydowych Toyoty

Napęd wodorowy Toyoty ma wiele wspólnych elementów z napędem hybrydowym czwartej generacji. Należą do nich m.in. silnik elektryczny z Lexusa UX 300e, bateria trakcyjna z hybrydowego Lexusa LS czy jednostka sterująca z inwerterem i konwerterem z Priusa 4. generacji. 80% komponentów napędu na ogniwa paliwowe nowy Mirai dzieli z hybrydami.

W nowej generacji Mirai ogniwa paliwowe zostały umieszczone z przodu, pod maską. Konstrukcja modułowej platformy TNGA umożliwiła zwiększenie liczby zbiorników wodoru do trzech. Mogą one pomieścić maksymalnie 5,6 kg tego gazu.

Energią elektryczną wytwarzaną w ogniwach paliwowych oraz przechowywaną w baterii zarządza jednostka sterująca PCU. Jest to to samo urządzenie, które Toyota opracowała do Priusa 4. generacji i które steruje pracą napędu we wszystkich nowych modelach hybrydowych marki.

Nowa Toyota Mirai ma znany z hybryd system odzyskiwania energii podczas hamowania. Energia ta trafia do baterii trakcyjnej, a następnie jest wykorzystywana m.in. przez silnik elektryczny.

Toyota Mirai oczyszcza powietrze

Nowy Mirai jest pierwszym samochodem Toyoty, który nie tylko nie emituje żadnych spalin, ale oczyszcza powietrze podczas jazdy. Samochód wykorzystuje filtry chemiczne, które oczyszczają powietrze ze szkodliwych substancji wyemitowanych przez inne pojazdy. Innowacyjny filtr katalityczny z włókniny wychwytuje mikroskopijne cząsteczki, w tym dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NOx) i cząstki stałe PM 2.5. Rozwiązanie to usuwa od 90 do 100% zanieczyszczeń o średnicy od 0 do 2,5 mikronu z powietrza przelatującego przez system ogniw paliwowych.

Ogniwa paliwowe drugiej generacji

Zestaw ogniw paliwowych, zasilających nowego Mirai, został znacząco udoskonalony względem ogniw paliwowych z pierwszego modelu. Nowe urządzenie ma o 10% wyższą moc (182 KM) i efektywność większą o 10%. Zapewnia nowemu sedanowi o 30% większy zasięg (do 650 km) oraz większą elastyczność (przyspieszenie 40-70 km/h w 2,8 s). Przyspieszenie od 0-100 km/h w nowym Mirai trwa 9 s.

Bezpieczeństwo technologii wodorowej

Wodór jest substancją łatwopalną, podobnie jak paliwa węglowodorowe stosowane w motoryzacji, czyli benzyna, olej napędowy gaz LPG czy CNG. Jego właściwości fizyczne sprawiają jednak, że jest to paliwo bezpieczniejsze od innych. Jego temperatura samozapłonu jest wyższa w porównaniu do tradycyjnych paliw. Benzyna zapala się przy temperaturze 500 stopni Celsjusza, olej napędowy przy 345 stopni C, zaś wodór przy 575 stopni C. Jednocześnie wodór jest 14 razy lżejszy od powietrza, dlatego bardzo szybko ulatnia się do atmosfery.

Na bezpieczeństwo wodoru wpływa także to, że firmy paliwowe mają już duże doświadczenie w dystrybucji i tankowaniu łatwopalnych gazów LPG i CNG wykorzystywanych w gospodarstwach domowych i w motoryzacji.

Toyota dodatkowo zadbała o bezpieczeństwo Mirai, wzmacniając jego konstrukcję, aby chronić zbiorniki na wodór. Kabina pasażerska jest oddzielona od zbiorników, dlatego w razie ich (mało prawdopodobnego) mechanicznego uszkodzenia wodór ulotni się do atmosfery specjalnie zaprojektowanymi ścieżkami. Każdy z komponentów auta został przetestowany przez niemiecki instytut TUV.

Specjalnie opracowane przez Toyotę zbiorniki wodoru są zbudowane z materiałów kompozytowych, bardzo szczelnych i wytrzymałych na uszkodzenia mechaniczne. Są w stanie wytrzymać o 225% większe ciśnienie niż wynosi ciśnienie wodoru przy maksymalnym napełnieniu. Wyposażono je w zawory bezpieczeństwa, zatrzymujące w razie potrzeby wodór w środku. Zbiorniki zostały poddane wymagającym, zróżnicowanym testom – w ramach których strzelano nawet do nich z broni palnej.

Wodór spala się o wiele bezpieczniej od węglowodorów, np. propanu czy benzyny. Jest na tyle lekki, że w razie zapłonu tworzy wąski słup ognia z dala od kabiny pasażerskiej. Po zapaleniu się benzyny w baku ogień często obejmuje niemal cały pojazd i stanowi zagrożenie dla znajdujących się w nim osób.

Zobacz także: Nowa Toyota Mirai. Auto na wodór oczyści powietrze podczas jazdy!