üzemanyagcella

Áramszolgáltató hidrogén - a tüzelőanyag-cella 2. rész

2014.12.26.

A villanyautó áramforrásának elégtelensége ma a villanyautózás legnagyobb hátráltatója. Lesz-e áttörés évtizeden belül a fajlagos (tömegre, térfogatra vetített) tárolókapacitás növelésében és a töltési idő nagymértékű csökkentésében? Ez ugyan nem hit kérdése, erre a tudományos (alap)kutatás ad(hat) majd választ, de én nem hiszem, hogy nanotechnológia ide, vagy oda, nagyságrendű áttörés lehetséges. Húsz éve folyik intenzív kutatás eredménnyel, de nem áttöréssel. A mai értékek megduplázása, a töltési idő megfelezése nagy dolog lenne, de ez még nem nagyságrendi változás. Keresni kell a gyakorlati felhasználás számára új fedélzeti áramforrást.

Tehát folytatjuk a speciális áramforrású, tüzelőanyag-cellás villanymotoros hajtású gépjárművek bemutatását.

Nem bizonytalan jövő, hanem biztos kezdet! 2014. december 15-én megkezdődött a világ első tüzelőcellás autójának szabad kereskedelmi forgalmazása: a Toyota Mirai FC (Fuel Cell) Japánban piacra került. Ajánlott fogyasztói ára, mint azt az autoszektor.hu egy korábbi cikkében olvashatták, Japánban 7 millió 236 ezer jen (több mint 15,1 millió forint), a japán kormány azonban 2,02 millió jennel (több mint 4,2 millió forinttal) támogatja az autó vásárlását, így a végső ár 5,2 millió jen. A Toyota annyit közölt, hogy az eredetileg kitűzött értékesítési célszámot, a négyszázat meghaladja az előrendelések száma. Más hírforrások 1000 darab előrendelésről szólnak.

Egymást figyelve

Az tudott, hogy a piacvezető autógyártók árgus szemekkel figyelik egymás munkáját, e tekintetben legalább 20 éve (talán ipari kémkednek is?), bizonyítja ezt az is, hogy a TC járművekkel, szériagyártás előttiekkel és prototípusokkal a közelmúltban – hosszú kutató-fejlesztő munka után – szinte egyszerre jelentek meg. Most a Toyota Mirai „robbantott”, és mint láttuk, erre a Honda, a Hyundai, a NISSAN kis késedelemmel válaszolt, nem maradt le a Mercedes (ezeknek a márkáknak, már közel 30 éves munkájuk fekszik a TC-ben!), de a VW és az Audi sem, a GM és BMW (a Toyotával együttműködve) is bepillantani engedett néhány TC projektbe. Van, aki maga fejleszti a TC központi elemét, a stack-et, például a Toyota, VW (akiről tudunk), és vannak, akik erre specializálódott cégekkel kooperálnak, ilyen cég például a kanadai Ballard. A Mercedes a B osztály TC változatának piaci megjelenését 2017-re prognosztizálja, és mint mondják, az ára sem fog egy dízelautóétól nagyon különbözni. Reméljük, erről is hamarosan megtudunk technikai részleteket.

A Toyotával párhuzamosan a Hyundai és a Honda is két éven belül tervezi a tüzelőcellás autót nagy sorozatban piacra hozni.
A Honda FCX Clarity tesztflottája már 2008 óta fut, de az első szériagyártású modellnek, a Honda FCV-nek a piaci megjelenését Japánban csak 2016 márciusára ígérik. Később az USA-ban és Európában is piacra hozzák a 100 kW teljesítményű, 700 km hatótávolságú modellt.

A 2014. évi Los Angeles-i Autószalon

A 2014. évi Los Angeles-i Autószalon a tüzelőcellás koncepció autók, prototípusok bemutatásának is színtere volt. A Toyota Mirai mellett a VW csoport több TC autóval, a HyMotion, illetve a h-tron jelű modelljeivel találkozhattak az érdeklődők, az újságírók ki is próbálhatták. A VW kutatás-fejlesztési tanácsának tagja, Dr. Heinz-Jakob Neusser a kiállításon nyilatkozta: elsősorban nem műszaki problémák miatt halasztják a TC modellek piacra hozatalát. Először a hidrogén kúthálózatnak kell egy elfogadható szintre kiépülnie egy-egy országban, régióban ahhoz, hogy ott kereskedelmi forgalomba hozzák TC modelljeiket. Igaz, hogy műszaki problémák megoldásán is kell még dolgozniuk, mert a PEM cella még sok platina katalizátort igényel, mely meglehetősen drágává teszi. Ennek mérséklésére, kiváltására intenzív kutatómunka folyik.
A Los Angelesben bemutatott VW és Audi TC modellekben közös a tüzelőanyag-cella típusa és az, hogy számos elemet a konszern más villanyautóiból vettek át, mégis nagyon különböznek egymástól.

Audi h-tron

A 2014. év, különösen ez év elmúlt pár hónapjának TC hír áradatában talán a meglepetés erejével hatott az Audi A7 Sportback h-tron quattro prototípus bemutatása. Lásd az autóról cikkünk címképét is! A „h-tron” névben a „h” a hidrogénre utal. Az összkerékhajtású (!), 1950 kg tömegű sportkocsi tisztán elektromos hajtású, a villanymotorokat tüzelőcella és akkumulátorok árama hajtja. Villanymotorjainak összteljesítménye 170 kW. Gyorsulása: 7,9 másodperc alatt éri el álló helyzetből a 100 km/h-t, végsebessége 180 km/h. Hatósugara 500 km. Műanyagból (!) készült kipufogócsövén csak vízgőz távozik.

A konstrukció BEV (Battery Electric Vehicle), tehát akkumulátoros villanyautó is. Ennek motorja a hátsó kerekeket hajtja. Az akkumulátoros kombinációra több szempontból is szükség van, mert:

- a fékezési energiát hasznosítani kell, azt pedig a TC nem tudja,
- szükség volt a „booster” funkcióra a rövid idejű hajtónyomaték növelés miatt,
- a TC hidegindítása utáni teljes terhelhetősége időt vesz igénybe, ennek áthidalására is kell az akkumulátoros áramellátás.

A TC több, mint 300 cellából áll, egy stack-et képezve, a cellafeszültség a terheléstől függően átlagban 0,6 – 0,8 V között van. A teljes stack feszültség 230 és 360 V. A TC-t hűteni kell, ennek hűtőköre szolgál az utastér fűtésére.

A tüzelőcellák optimális üzeme megkívánja, hogy hőmérséklete 80 °C környezetében legyen. Ekkor éri el hatásfoka a 60%-nál nagyobb értéket (ez közel a duplája a belső égésű motorénak!). Hűtése – mondják a gyártók – nagyobb műszaki feladat, mint a belső égésű motoré. A tüzelőcellás autó -28 °C-ig üzembiztos.

Az Audi h-tron plug-in-hibrid. A plug-in-hibrid, azaz a konnektoros hibrid azt jelenti, hogy az akkumulátorok töltése három módon lehetséges:

- belső forrásból (belső égésű motorral rendelkező hibrid esetében az által forgatott generátor termelte árammal, TC esetében a tüzelőanyag-cella szolgáltatta árammal),
- motorféküzemben a mozgási energia átalakításával (generátoros visszatáplálás - rekuperáció) és
- külső áramforrásból (plug-in).

Az Audi h-tron lítium-ion akkumulátora 8,8 kWh energiarárolására alkalmas. Külső forrásból való töltése 230 V-os hálózatról 4 órát, ipari áramforrásból 2 órát vesz igénybe. Az akkucsomagot és töltőrendszerét az A3 Sportback e-trontól vették át.

Az Audi h-tron akkumulátorának áramával 50 km-t tud megtenni.

Az akkufeszültség és a tüzelőcella feszültsége eltérő, ezért összekapcsolásukhoz DC/DC átalakító kell. Az akkumulátorokat a tüzelőcella is tudja tölteni. Az állandómágneses szinkron villanymotorok működéséhez váltakozó feszültség kell, ezt az ún. Triport átalakító hozza létre. A motorok névleges teljesítménye egyenként 85 kW, de rövid időig 114 kW-ig terhelhetőek. A motorok maximális nyomatéka egyenként 270 Nm. A trakciós motorok hatásfoka 95%.

A villanymotorokat és a feszültségátalakítókat ún. kishőmérsékletű hűtőkör hűti.

A hidrogén-tankolás a 700 bar nyomású rendszerben kb. 3 percig tart. A tartályban mintegy 5 kg hidrogén tárolható. Az autó gáztöltési rendszere vezeték nélküli kommunikációval kerül a kút töltőrendszerével kapcsolatba, a tartály hőmérsékletéről és az aktuális tartály gáznyomásról ad információt. A tartály anyaga alumínium, melyet szénszálerősítésű műanyag (CFK) héj borít. Az Audi h-tron fogyasztása NEDC ciklusban 1 kg hidrogén/100 km, ami 3,7 liter/100 km benzinfogyasztásnak felel meg.

VW GolfSportWagen HyMotion és a Passat HyMotion

A VW az MQB építési struktúrában tüzelőanyag-cellás hajtás koncepció modelljét is bemutatta, nem tagadva, hogy a szériagyártáshoz még sok problémát kell megoldaniuk. Ebben az évtizedben a sorozatgyártást még nem tervezik.

Volkswagen Golf SportWagen HyMotion az e-Golf számos elemét alkalmazza, így például a hátul elhelyezett 1,1 kWh lítium-ion akkumulátár egységet és a 12 V-os akkumulátort. A TC és az akkumulátorok áramával a villanymotor maximálisan 100 kW teljesítményt ér el. A PEM tüzelőanyag-cella 4 szénszálerősítésű műanyaggal burkolt alumínium gáztartályból kapja a hidrogént, a tárolt max mennyiség 4,22 kg. Az autó hatótávolsága 500 km. Gyorsulása 0 - 100 km/h sebességre 10 másodperc.

Az autó indulásakor és intenzív gyorsítási igényénél az akkumulátorból kapja az áramot. A tüzelőcella terhelhetősége minimális időt igényel, ezért szükséges az akkumulátoros indítás.

A gépkocsi vezetője kapcsolóval választhat, hogy
- a TC csak az akkumulátorokat töltse,
- a hajtás csak az akkumulátor áramával történjen, vagy
- a rendszerirányítás az optimális energetikai viszonyokat állítsa be.

Minden autóleállítás – azaz rendszerleállítás – után a TC addig üzemel, míg az akkumulátorokat fel nem tölti. A működés szinte hangtalan, csak a szivattyúk sustorgása hallatszik.

A VW konszern a TC főegységeit a 2001-ben, a Wolfsburghoz közeli Isenbüttelben létrehozott Volkswagen Technologiezentrum Volkswagen Technologiezentrum für Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeugtechnologie kutatóintézetében (tüzelőanyag-cella és villamoshajtás témáival foglalkozó kutatóbázis) fejlesztette ki. A VW már az 1990-es évek óta foglalkozik tüzelőanyag-cella fejlesztéssel, de a K+F munka komolyabb lendületet csak az elmúlt jó tíz évben kapott.  Itt született meg a világújdonságnak számító LT PEM  (Low Temperature PEM) cella, melyről először 2006-ban számoltak be.

A Volkswagen AG és a Ballard Power System 2013. márciusába kötöttek 4 éves, 100 millió dolláros K+F szerződést a tüzelőanyag-cella folyamatos fejlesztésére, ennek keretében készült el a 2014. évi Los Angeles-i Autószalonra az LT PEM cella negyedik generációjával a GolfSportWagen HyMotion, a Passat HyMotion és az Audi h-tron.

A Volkswagen Golf konstrukció annyiban új, hogy a TC hajtást egy meglévő széria gépjárműbe tervezték, ez az MQB platform (moduláris matrix építőszekrény). A Golf MQB alkalmas benzines (TSI), földgáz (TGI) és dízel (TDI) változatok befogadására, valamint elektromos hajtású kialakításokhoz, így az e-Golf és a konnektoros GOLF GTE hajtásmódokhoz is. A VW ezzel kívánja jelentősen csökkenteni a jövőben a Golf HyMotion árát.

Tüzelőcellás targonca

A tüzelőcella számára egy igazán „eltalált” alkalmazás a villástargoncák tüzelőanyag-cellás áramforrású villanymotoros hajtása. Ma már legalább 1000 db. üzemel a világban. A BMW számol be arról, hogy az egyik amerikai üzemében TC villástargoncákat üzemeltet. Egy feltöltéssel 2 kg hidrogént tankolnak, ezzel 8-10 órai üzemre képesek. A tankolás csak 3 percet vesz igénybe, míg az akkumulátoros targoncák töltése ennek a sokszorosa. A targonca teljesítőképessége az üzemidő alatt nem csökken. Az áramtöltés elmaradásával jelentősen kisebb az üzem áramigénye, és a használt akkumulátorok, illetve az akku elektrolit, mint veszélyes hulladékok kezelése is szükségtelenné válik. Az előnyök kézenfekvőek, de részletes költségelemzésről nem szólnak a hírek.

A hidrogén-ellátó rendszer

A hidrogén előállítására, szóltunk már róla, sok lehetőség adódik. Kedvező, ha ún. CO2 mentes a hidrogéntermelés. Ennek forrása lehet a szél, napelem és a vizierőmű szolgáltatta árammal a vízbontás. A csökkentett energiaigényű vizbontásnak is megvannak már a technológiái. Kedvező, ha más vegyi folyamatok melléktermékeiből állítják elő, mely melléktermékek hulladéknak számítanak, vagy biogén alapanyagokból. Ahol sok a földgáz, ott ez is alapanyag lehet, de ekkor van CO2 kibocsátás is (hacsak nem találnak ki ennek hasznosítására is technológiát…).

A Linde cég közleményeiből tudjuk, hogy a megvalósuló félben lévő hidrogénkutakhoz, ahol nagy nyomású hidrogén gázt tankolhatunk, a tartályautók a hidrogént kb. 200 bar nyomáson szállítják. A tartályokat a kúton, cseretartályos rendszerben, lerakják. A kúton lévő nagynyomású kompresszor állítja elő a 350 vagy a 700 bar nyomású, autóba betöltésre kész hidrogént. A kompresszor 5 lépcsős, igazi hi-tech megoldás: ez az ún. ionkompresszor. Az ionkompresszor meglehetősen pontatlan megnevezés, angolul ionic liquid piston compressor, ionic compressor vagy ionic liquid piston pump. Az ionkompresszor konstrukcióval 5 bar tápnyomásról akár 1000 bar nyomásra is össze lehet sűríteni a hidrogént. A hagyományos kompresszorokhoz képest 40%-kal kisebb energiafelhasználással. Az ionkompresszor után a gázt kb. 40 °C hőmérsékletre visszahűtik. Az alábbi vídeó betekintést ad a hidrogén kuti kezelésének folyamatába és az ionkompresszor működésébe: https://www.youtube.com/watch?v=usaQrCDORFY

Európában az első, lakossági fogyasztók számára is hozzáférhető töltőállomást a Stuttgarti repülőtéren, 2009. június 17- én adták át. (Tudjuk, hogy korábban is volt hidrogénkút Németországban. A BMW-nek volt hidrogén/levegő keverékkel működő belső égésű motorja, ehhez lehetett itt hidrogént tankolni. Ez azonban folyékony halmazállapotú hidrogén volt.) A stuttgarti töltőállomást az OMV működteti, a Linde és a Daimler együttműködésében. A projekt Baden-Württemberg tartomány támogatásával valósult meg. A töltőállomás a sűrítéshez a Linde ionkompresszor technológiáját alkalmazza.

Illik megemlíteni, hogy a Pécsi Tudományegyetem Pollack Mihály Műszaki és Informatikai Kar „Pollack Eco Team” csapata hidrogén tüzelőanyagú tüzelőanyag-cellás járművet épített és folyamatosan fejleszti Háber István vezetésével. Szép sikereket értek el a Cartagena-i Solar Race, valamint a Shell Eco-Marathon versenyeken. A 2014-es Shell Eco Marathonon, Rotterdamban a HI-ORCA tüzelőanyag-cellás autójukkal újra egyéni rekordot döntöttek, 144 km/kWh fogyasztással a 7. helyet szerezték meg az európai mezőnyben.

Zárszó

A kétkedőknek csak annyit, hogy a leghosszabb út is az első, általában apró lépéssel kezdődik. Így van ez a hidrogénkorszakra való áttéréssel, ebben a tüzelőanyag-cellás fedélzeti áramforrású közúti járművekkel is. Az első lépéseket 20 vagy akár 40 évvel ezelőtt tették meg a kutatók, majd később a mérnökök. Ma már nagyobbak a lépések, és az is látszik némileg homályosan, hova akarunk eljutni. Ezzel együtt több ma még a nyitott kérdés, mint a megválaszolt. De haladunk!

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(Az Autótechnika folyóirat 2015. évi januári számában az egyik vezető téma az tüzelőanyag-cella lesz. Az Autótechnikában a témához kapcsolódó szakmai cikkek, már jó 10 éve jelennek 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,
http://www.volkswagenag.com/content/vwcorp/info_center/en/news/2014/11/hymotion.html
www.fuelcell.hu
https://www.audi-mediaservices.com/publish/ms/content/en/public/pressemitteilungen/2014/11/19/audi_a7_sportback.html
http://www.audi.co.uk/about-audi/latest-news/a7-sportback-h-tron-quattro-showcases-audi-fuel-cell-technology-expertise-at-la-auto-show.html
http://www.hydrogenfuelnews.com/
www.hfc-hungary.org
https://www.facebook.com/PollackEcoTeam?pnref=story
http://www.linde-gas.com/en/innovations/hydrogen_energy/fuelling_technol...

 

Az oldal fő támogatója

 

2022.01.27
Ma már mindent elural a CO2 és az önvezetés, 40 évvel ezelőtt viszont jó üzletnek tűnt beszállni a....
2022.01.27
A Magyar Autóklub közlekedésbiztonsági kampányt indít a vasúti átjáróban történő közúti balesetek....
2022.01.27
A Vitesco autóipari beszállító több nagy megrendelést kapott a gyártóktól: egy milliárdos....
2022.01.27
A kínai Nio márka megnyitotta a 800. akkumulátorcserélő állomását , ezúttal a Hangzhou városban....
2022.01.27
Azt remélik, az új, i20 N alapú hibrid Rally1-es autóval végre az egyéni bajnoki címet is....
2022.01.27
Egy autómentő kisteherautó és egy személyautó csapódott egymásnak valamivel 14 óra után - írja a....
2022.01.27
A miskolci rendőrök előállították a férfit - írja a police.hu. ..
2022.01.27
A holland DSM is jelezte részvételét a májusi magyar kerékpáros körversenyen, a Tour de Hongrie-n,....
2022.01.27
Kiderült, milyen problémákkal kell szembenézniük az orosz autósoknak az ukrán válság miatt. ..
2022.01.27
Andrzej Duda lengyel elnök aláírta azt a törvényt, amelynek értelmében február 1-jétől július....