üzemanyagcella

Áramszolgáltató hidrogén – a tüzelőanyag-cella

2014.12.21.

Talán 200 év is kell ahhoz, hogy egy felfedezésből, esetünkben a „galvanikus gázelemből”, automobil hajtására alkalmas, szériaérett energiaforrás legyen. Ez a tüzelőanyag-cella, vagy egyszerűbben tüzelőcella (TC). William Robert Grove fizikus 1839-ben elsőként írt „galvanikus gázelemről”. A hidrogén és oxigén „hideg elégésével” közel 100%-os hatásfokkal villamos áram előállításáról számol be. Korának fizikusai ebben a jövőt sejtették! Alkalmazásához azonban be kell köszöntenie a hidrogén-korszaknak. Vagy éppen a tüzelőcella lesz az, ami a hidrogén-korszakot megnyitja?

Kedves Olvasó!

Most sem ígérjük, mint azt rovatunkban már sokszor megtapasztalhatták, könnyed olvasmányt. Nem több, mint ismeretterjesztés, bevezetés egy témakörbe, de nem is kevesebb! Néha ez a műfaj a legnehezebb: engedmények nélkül szakszerűnek és nem elmaszatolónak kell lenni, ugyanakkor érthetően elmagyarázónak, a tudomány – matematika, kémia, fizika – eszköztára nélkül. Azoknak pedig, akik tovább kívánnak menni az elemzett területen, iránymutatással kell szolgálnunk.

Mai témánk a villanymotoros hajtású gépjármű speciális áramforrása, a tüzelőanyag-cella.

Nem egy bizonytalan jövőről lesz szó! 2014. december 15-én megkezdődött a világ első tüzelőcellás autójának a kereskedelmi forgalmazása: a Toyota Mirai FC (Fuel Cell) Japánban piacra került. A japán Mirai típusnév magyarul jövőt jelent. A jövő tehát cikkünk megírása előtt néhány nappal elkezdődött!

Bevezető

Az, hogy a világ autóparkjának egy része, egyre nagyobb része, villamos hajtású lesz, ma már az elektroszkeptikusok számára sem kérdés. A „mikor lesz?” kérdésében és az átállás üteméről az elemzők véleménye ma még nagyon különböző.

Kezdjük egy sokak által ellenérdekeltnek mondott csoport véleményével, az OPEC, a kőolaj exportáló országok szervezetének jövendölésével. Véleményük szerint, ezt terjedelmes tanulmányban tették közzé a közelmúltban, a belső égésű motor még nagyon sokáig a vezető erőforrás marad. A hagyományos dízel és Otto-motor a következő évtizedekben domináns szerepet fog betölteni, 2040-ben még 92% lesz. A dízel az össz erőforrás (szgk+haszon) mennyiségen belül 14%-ról 21%-re növekszik, a benzines 82%-ról 71%-ra csökken. A földgáz motorhajtóanyag, a CNG (kevésbé az LNG) mutatja a legnagyobb növekedési ütemet, főleg az USA-ban és a haszongépjárműveknél. A kőolaj kitermelő államokban, az OPEC országokban van a villanyhajtás elterjedésének a legkisebb esélye. A tüzelőcella pedig 2030-ig még nem lesz versenyképes. Az OPEC országok felelős vezetői, gazdasági csoportjai már ma készülnek a kőolajon túli korszakra, mert mai életszínvonalukat később is meg akarják tartani. Az átállásban is az első helyek egyikén akarnak lenni és ezt hatalmas tőkéjükkel el is érik. Gondoljunk csak a katari állammal közös Shell GTL üzemre, annak világméretben is meghatározó kapacitására.

Más, olajérdekeltségtől független elemzők szerint is a fejlett motorizációjú országokban, ahhoz, hogy a személygépkocsi állomány fele tisztán elektromos hajtású legyen, tehát akkumulátoros energiatárolású vagy tüzelőcellás, legalább még 50 év kell. A rövidtávon az önálló villamos hajtásra képes full-hibrid vagy plug-in hibrid autók részaránya azonban jelentős lesz (kb. 10%-körüli) már az elkövetkező 10 évben is. Elemzők egy csoportja szerint mind a belső égésű motoros hibrid, mind a tisztán akkumulátoros energiatárolású villanyautó (BEV) átmeneti, közbenső megoldás a tüzelőcellás autóhoz vezető úton.

A hajtás-lehetőségek tájképét a tüzelőcella gazdagítja, egyesek szerint „átfesti”

A tüzelőcella lényege, hogy az elektromos áramot a fedélzeten állítja elő, oxidációs folyamatban. Minden olyan folyamatot, amelyben atomok, molekulák vagy ionok elektront adnak le, oxidációnak nevezünk (az elektronfelvétel a redukció). Ha az elektronleadás útja (az áram) kivezethető, akkor munkára, azaz villanymotor hajtására is fogható!

Sok anyag jön szóba a fedélzeti oxidációhoz: lehet fedélzeten tárolt, majd a folyamatba bevezetett gázhalmazállapotú anyag, ez a hidrogén. Lehet a „cellában” elhelyezett fém, például alumínium vagy cink, amelyek ilyen körülmények között oxidálhatóak. Ezek a fémbázisú-tüzelőcellák. Ezekhez természetesen speciális elektrolit (pl. KOH) is szükséges. (Lásd az Autótechnika 2014/12. számában az Al-levegő cella elemző cikkét!) Az oxidációhoz szükséges oxigént mind a hidrogénüzemű, mind a fémbázisú cellák esetében célszerű a környezeti levegőből kinyerni.

A tüzelőanyag-cellák, a galvánelemekhez hasonlóan, vegyi reakciókkal közvetlenül elektromosságot állítanak elő, a különbség az, hogy míg az elemeket kifogytuk után el kell dobni, a tüzelőanyag-cella mindaddig üzemel, amíg tüzelőanyagot töltünk bele. (Ha tölthető az elem, így már megkaphatja az akkumulátor nevet, akkor többször felhasználható, árammal töltött közbenső elektromos energiatároló.)

A tüzelőcella szerkezet alapegysége – olvashatjuk dr. Emőd István egyik írásában – két elektródából (1) áll, egy elektrolit (4) köré szendvicsszerűen préselve. Az anódon hidrogén, míg a katódon oxigén – környezeti levegő - halad át. A katalizátor (3) segítségével a hidrogénmolekulák protonokra és elektronokra bomlanak.

A protonok keresztüláramlanak az elektroliton (4). Az elektrolit az elektronokat viszont nem engedi át, azok csak kerülő úton, külső vezetéken jutnak el a katódra. Az elektronáram mielőtt elérné a katódot (7), felhasználhatóak elektromos fogyasztók működtetésére. A katódra érkező elektronok a katalizátor (5) segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénmolekulákkal, vizet hozva létre. A folyamat során hő is termelődik.

Egy közbevetett „színes” hír: a Toyota Mirai autó fejlesztésében részt vett egyik mérnök, Mizuno Szejdzsi azt vizsgálta, hogy milyen kockázatokkal járna, ha valaki meginná a tüzelőcellás autó kipufogón át távozott vizet. Az eredmények szerint a kipufogóvíz kevesebb szerves szennyeződést tartalmaz, így bizonyos értelemben biztonságosabb, mint a tehéntej.

Sokféle tüzelőcella fizikai megoldás és konstrukció született az elmúlt 50 évben, sokak közülük eljutottak üzemi tesztekig Az űrhajózásban, műholdak energiaellátására vagy földi alkalmazásban tartalék áramszolgáltatóként bizonyítottak. Az első járműben való alkalmazásra 1959-ben került sor: az Allis-Chalmers amerikai mezőgazdasági gépeket gyártó cég bemutatta első tüzelőanyag-cellás traktorját, 1008 db. cellát kötöttek össze, mellyel 15 kWh villamos energiát szolgáltattak.

A PEM cella

Ma már letisztultnak látszik (ilyet a műszaki életben csak nagy valószínűségűnek mondunk) melyik cella-fizika lesz általánosan alkalmazott. A PEM tüzelőanyag-cella tiszta hidrogénnel működik. A PEM az angol proton exchange membrane kifejezés rövidítése, mely magyarul protonáteresztő vagy protoncserélő membránt jelent. A PEM anyaga a Nafion (fluorpolimer), melyet Walther Grot fejlesztett ki a DuPont cégnél az 1960-as években. Ma a leginkább használat membránfajta. Vastagsága 50…200 μm. Jellegzetes tulajdonsága, hogy a hidrogénatom pozitív töltésű atommagját (a protont) jól vezeti, de az elektronokat nem engedi át.

Üzemi hőmérséklete 80 °C. A hidrogén tisztaságára nagyon kényes. Egy cella feszültsége kb. 1 volt, a gyakorlatban a szükséges teljesítmény eléréséhez többszáz cella sorba kapcsolásával alakítanak ki tüzelőanyag-cella telepet (angol megnevezés szerint stack-eket). Egy cellaegység a MEA (membrane electrode assembly), mely a PEM-et, a katalizátort (általában platina) és a sík elektródákat tartalmazza.

Az üzemanyagcellás járműhajtás előnyei

- a tüzelőanyag hasznosítása lényegesen jobb hatásfokkal történik (nagyobb, mint 60%),

- a károsanyag-kibocsátás vagy megszűnik (hidrogén üzemanyag esetén), vagy jelentős mértékben csökken,

- az egyszerű mechanikai szerkezetből adódóan kisebb a karbantartási költség,

- a cella gyakorlatilag zajtalanul működik,

- a tüzelőanyag-cellák a teljesítmény nagyságától függően moduláris felépítést tesznek lehetővé.

Hidrogén, vagy amit akartok…

A technikai megoldás megvan arra is, hogy a fedélzeten állítsanak elő hidrogént a tüzelőcella elé illesztett reformer berendezés segítségével. Így szinte bármely szénhidrogén tüzelőanyagot fel lehet használni, a földgáztól kezdve a metanolon át a gázolajig. A reformer ezekből az anyagokból hidrogént állít elő, miközben kis mennyiségű CO2, CO és HC is keletkezik.

Mivel a tüzelőanyag-cella nem égésen, hanem elektrokémiai reakción alapul, az emissziója mindig jóval kisebb lesz, mint a legtisztább égési folyamatoké.

Ma már eldöntöttnek látszik, hogy a tüzelőcella primer tüzelőanyaga a tankolt, nagy nyomáson (500 vagy 700 bar) tárolt, gáz halmazállapotú hidrogén. Azonban azokon a piacokon, ahol a hidrogén kúti ellátását nem építik ki, primer tüzelőanyagként a legnagyobb esélye a földgáznak és a bioetanolnak van. Természetesen a reformerrel kiegészített TC autó ára valószínűsíthetően nagyobb lesz.

CO2 mentesen?

Ha a primer energia hidrogén, a TC autó kipufogógáza csak vizet (vízgőzt) tartalmaz. Azért, hogy a TC autó valóban CO2 mentes legyen, sok kapcsolódó járulékos folyamatnak is CO2 mentesnek kell lennie. Ha az autó gyártását nem tekintjük, akkor a hidrogén előállítását és a kapcsolódó logisztikai folyamatokat kell vizsgálnunk. Kedvezőnek tűnik a szélkerekek termelte árammal a vízbontás hidrogénje, de ma még nem ez az elsődleges hidrogéntermelési technológia (többnyire földgázból állítják elő).

Hatásfok

A tüzelőanyag-cella nem hőerőgép, ezért nincs benne az a veszteség, ami a belső égésű motorokban a kémiailag kötött energiának (közkeletű kifejezéssel hőenergiának) mechanikai munkává történő átalakulásakor és a motormechanizmus súrlódásakor jelentkezik. További előnyük, hogy részterheléskor hatásfokuk javul. Így a tüzelőanyag-cellás hajtás átlagos hatásfoka ma a 60%-ot is meghaladja, ami több, mint háromszorosa az Otto motorénak, ha az részterheléssel üzemel. A tüzelőcella (PEM) elméleti maximális hatásfoka 83%.

A tüzelőanyag-cellás hajtás veszteségei egyrészt a működtetési energiaszükségletből (szivattyúk, kompresszorok, hűtőventillátor hajtása), másrészt a villamos motor veszteségeiből tevődnek össze. Egy korábbi trendelemzés napjainkra igazolódni látszik:

Jellemző                2010      2015      2035

Hajtóanyag-fogyasztás (kg H2/100 km)      1,0          0,8          0,6

Fogyasztás benzinegyenértékben (liter/100 km)         3,8          3,0          2,3

Hatótávolság (km)             £400      500–600               700-800

A hidrogén fedélzeti tárolása

A hidrogén tárolható tartályban nagy nyomáson, a mai gyakorlat szerint 350 (35 MPa) vagy 700 bar-on (70 MPa).

A hidrogén cseppfolyósítható, 20 K hőmérsékleten sűrűsége 71 g/liter. A cseppfolyósított hidrogén (LH2 vagy LHG) tárolására hőszigetelt tárolóedényt ún. kriogén tartályt használnak. A BMW készített gépjárműbe építhető kriogén tartályt.

A hidrogént belső égésű motorban, levegővel keverve égették el. A hidrogén továbbá valamilyen anyagban – például fémek kristályrácsában, ezek a fémhidridek – elnyeletve is tárolható. Ez utóbbi kettőnek azonban ma nincs gyakorlati jelentősége.

A Toyota Mirai piacra lép

Mint oly sokszor a japán technikában, a forradalmian új modelleket először otthon próbálják ki, utána az első külföldi tesztpiac a gazdag Kalifornia. A Toyota 2015-ben 700 TC járművet tervez értékesíteni, 2017-ig pedig legalább 3000-et.

Toyota elnökének, Takechi Uchiyamadának, a Prius atyjának nyilatkozatából idézünk: „Az automobil első száz évét a benzin határozta meg, a jövőt száz évekre a hidrogén fogja, de ennek még idő kell.” Az első millió hibridautó értékesítéséhez nekünk is tíz évre volt szükségünk, de az azt követő hetedik évben meghétszereztük az eladásokat.”

A Toyota Mirai tulajdonosainak a kezdetekben, Kaliforniában ingyen hidrogén tankolás jár.

Az árak ma még az egekben járnak, de lassan a földközelbe érnek… A Toyota első piaci flotta próbára bocsátott TC autója a Highlander FCV volt 2008-ba. A Mirai TC komponensei ma már 95%-kal olcsóbbak, mint a Highlanderé voltak! A Toyota elnöke szerint a TC elemek árának csökkenése sokkal nagyobb mértékű lesz, mint az akkumulátoroké, így a tüzelőcellás autó ára közel fog kerülni a mai belső égésű motorral hajtott autók árához. A valódi bekerülési költségeket a gyártók nem teszik közzé, de azt sejtetik, hogy a sajáterős dotálás az első időkben még jelentős. Így volt ez a Priusnál is.

A Toyota Mirai sorozatgyártása mostanában kezdődik a Toyota City-ben lévő Motomachi gyáregységben. Az autó először Japánban került 2014. decemberében piacra, majd Kaliforniában, és már 2015-ben eljut Észak-Amerikába és Európába is.

A Mirai is hibridautó! Hibrid abban az értelemben, hogy két energiaforrása van: a tüzelőanyag-cella és van akkumulátora is, némi szakmai meglepetésre nikkel-fémhidrid. A trakciós villanymotorok generátor üzemben is működnek: a fékezési mozgási energiát felvéve töltik az akkut. A tüzelőcella is töltheti az akkut. Az akkuban tárolt energia ellátja a fedélzeti fogyasztókat és besegíthet a trakciós villanymotoroknak is. Az áramnemek és feszültségek váltása az inverter(ek) dolga.

A Toyota már régebben gyárt tüzelőcellás járműveket, a kisebb cellák villástargoncába kerülnek, a nagyobbakat autóbuszba építik be. A tüzelőcella ma repülőgépekben az akkumulátorokat váltja ki.

A hidrogén tankolása

A SAE International (Society of Automotive Engineers) 2014 nyár folyamán publikálta J2601 számú szabványát, amely a hidrogén üzemű személyjárművek tankolására vonatkozik. (A szabvány pontos címe: „J2601 - Fuelling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles”.) A szabvány egyaránt lefedi a 350 és 700 bar-os nyomáson történő hidrogéntankolást. Megjelenését 13 évi tesztelés és fejlesztés (!) előzte meg.

A szabvány alapján, illetve annak alkalmazásával a felhasználók biztosak lehetnek abban, hogy a hidrogén üzemű járműveket teljesen biztonságosan és gyorsan megtankolhatják, mint azt a „H2- Hidrogén Hírlevél” 2014/3. számában olvashatjuk. A hírlevelet a Magyar Hidrogén és Tüzelőanyag-cella Egyesület (Budapest, Magyar Jakobinusok tere 7. www.hfc-hungary.org info@hfc-hungary.org) adja ki. Az Egyesület a tüzelőcellás hajtás elkötelezett híve, hazai előkészítésének tevékeny kezdeményezője.

Végül a legfontosabb: a hidrogénellátás

Természetesen a TC technika elterjedése a hidrogén tankolás lehetőségén áll, vagy bukik. Ezzel a kérdéssel most nem foglalkozunk, ez megér egy külön cikket. Látjuk, hogy a nagynyomású tárolás a logisztikában, a kúton és a fedélzeten műszakilag megoldott, mint ahogy az átfejtés (töltés) is. Halljuk a híreket, hogy óriási erők mozognak már ma is, hogy kiépítsék a töltési infrastruktúrát Japánban, az USA-ban és Európa egyes államaiban, például Norvégiában, Németországban és Angliában. Több országban az állami támogatás is komoly mértékű. A hidrogén korszakra való átállás számos energiaellátási területen megkezdődött. Unokáink meg fogják látni!

 

Folytatjuk!

Folytatjuk azzal, hogy bemutatjuk: a TC technikában más cégek is aktívak, némi meglepetésre megszületett az Audi h-tron…

 

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(Az Autótechnika folyóiratban a témához kapcsolódó szakmai cikkek jelent meg, ezek a lap előfizetőinek visszamenőleg is olvashatóak a http://autotechnika.hu oldalon. További információt is itt találhatnak.)

 

Forrás:

Dr. Emőd István (BME Gépjárművek és Járműgyártás tanszék) előadás anyagai,

Petrók János úr Autótechnikában megjelent cikkei,

www.fuelcell.hu

www.hfc-hungary.org

https://www.facebook.com/PollackEcoTeam?pnref=story

http://www.toyota.com/fuelcell/fcv.html

http://www.toyota-global.com/innovation/environmental_technology/fuelcell_vehicle/

 

Az oldal fő támogatója

 

2022.01.24
Az elektromos autók hagyományos járművekénél magasabb javítási költségeire és ezért a teljes körű....
2022.01.24
Az ABB támogatásával készült jelentés rávilágít, hogy az autógyáraknak milyen kihívások elé kell....
2022.01.24
Horvátországban hétfőtől a legtöbb helyen fizetőssé válik az elektromosautó-töltés az autópályákon....
2022.01.24
A Volkswagen ID.4-et az USA-ban is régóta árulják. Most a VW ott is el akarja indítani az....
2022.01.24
Hatvanöt magasan képzett mérnökkel még az idén elindul a legnagyobb orosz járműgyártó magyarországi....
2022.01.24
Kevés frusztrálóbb dolog van annál, mint egy forgalmi dugóban araszolni. Kinek a fejében ne fordult....
2022.01.24
Az újabb sebességmérési akció során ezúttal 158 autósról készített felvételt a traffipax – írta a....
2022.01.24
Igazi prémium funkcióval, mátrix LED fényszórókkal lép piacra az új generációs Peugeot 308. De mit....
2022.01.24
Amennyire sokrétűek alkalmazási lehetőségei praktikus pickupként, éppoly számosak az új Amarok....
2022.01.24
Minden korábbi szerbiai vasúti sebességet megdöntött az Újvidék és Belgrád között közlekedő....