Schaeffler innováció a tüzelőanyagcellák nagyobb teljesítményéért

A Schaeffler új generációs fém bipoláris lemezeket fejleszt tüzelőanyagcellás alkalmazásokhoz. Rögtön megragadva a lényeget, a teljesítménysűrűség növelése a bipoláris lemezeken és azok bevonatrendszerén alapul, melyek lehetővé teszik, hogy a tüzelőanyagcella a teret hatékonyabban használja ki és több energiát állítson elő ugyanazon térfogat mellett, mint korábban. Minél több energiát lehet kinyerni egy adott térfogatból, annál erősebb és hatékonyabb lehet az adott alkalmazás. Az új technológia lehetővé teszi, hogy kisebb és könnyebb tüzelőanyagcellákat hozzanak létre, amelyek nagy teljesítményt képesek előállítani. Ez egyben a méret és súlycsökkentés útja is lehet, ami növelheti hatótávolságot és optimalizálhatja a gyártók költségeit.

A Schaeffler a 2022. évi hannoveri IAA Transportation kiállításon mutatta be a nagyközönségnek kísérleti - VW Crafter alapú - transporterét. A jármű 13 kWh-s akkumulátorral rendelkezik, amelynek maximális teljesítménye 85 kW (140 kW), lelke egy tüzelőanyagcellás rendszer, amely 50 kW-os folyamatos teljesítményt biztosít. A hajtáslánc központi eleme a Schaeffler saját 3in1 e-tengelye.

A Schaeffler a járművet fejlesztési platformként használja a különböző rendszerelemek közötti interakciók tesztelésére és optimalizálására.

 
A bipoláris lemezek a tüzelőanyagcella-stack lelke, de mit is csinálnak?

A bipoláris tüzelőanyagcellák a tüzelőanyagcellák egyik típusa, amelyek hidrogént használnak tüzelőanyagként és elektromos energiát állítanak elő hidrogén és oxigén reakciójával. A bipoláris tüzelőanyagcellák (is) az elektrokémiai reakció során keletkező elektromos energiát használják fel, hogy elektromos áramot hozzanak létre. A cella elektromosan vezető membránnal van ellátva, amely két oldalán elektrokatalizátorok találhatók. Az elektrokatalizátorok segítik a hidrogén és oxigén gázok reakcióját a membrán mindkét oldalán. A reakció során a hidrogénmolekulák (H₂) felbomlanak hidrogénionokká (H+), amelyek a membránon keresztül mozognak az oxigén oldalra. Az oxigén oldalon az oxigénmolekulák (O₂) és a hidrogénionok találkoznak és elektrokatalizátorok segítségével reakcióba lépnek, létrehozva az elektromos áramot és a vízmolekulákat (H₂O).

De mi a különbség? Nem feltétlenül használ hidrogént.

A normál tüzelőanyagcella és a bipoláris tüzelőanyagcella közötti fő különbség az, hogy milyen típusú üzemanyagot és működési elvet használnak az elektromos áram előállításához. A normál tüzelőanyagcella – pl. a PEM tüzelőanyagcella - hidrogént használ üzemanyagként és az elektromos áramot hidrogén és oxigén reakciójából nyeri. Ezzel szemben a bipoláris tüzelőanyagcellák nem feltétlenül hidrogént használnak üzemanyagként és a "bipolaritás" inkább a cella belső felépítését jellemzi, amely lehetővé teszi a tüzelőanyag folyamatos áramlását és az elektromos áram előállítását.

Működési elvükben a normál tüzelőanyagcellák hidrogén és oxigén elektrokémiai reakciójára épülnek, ahol hidrogénionok és elektronok keletkeznek. Ezek az ionok és elektronok áramlanak egy elektrokémiai membránon keresztül, hogy elektromos áramot hozzanak létre. A bipoláris tüzelőanyagcellák rendszerint olyan tüzelőanyagokat használnak, mint a hidrogén vagy a metán és a reakció során szintén hidrogénionok és elektronok keletkeznek. Az ionok elektrokémiai membránon keresztül mozognak a reakció másik oldalára és az elektronokat áramlásra késztetik, létrehozva az elektromos áramot.

A normál tüzelőanyagcellák alapvetően egy PEM (Proton Exchange Membrane) membránnal rendelkeznek, amely középen helyezkedik el két elektrokatalizátor között. Az elektrokatalizátorok a hidrogén oldalon és az oxigén oldalon találhatók. Ezzel szemben a bipoláris tüzelőanyagcellák egyedi felépítéssel rendelkeznek, ahol az egyes cellák egymás után helyezkednek el és közöttük bipoláris lemezek találhatók. Ennek köszönhetően a tüzelőanyagok folyamatosan áramolhatnak a cellák között és a reakciók is hatékonyabban megtörténhetnek. A normál PEM celláknál a cellák önálló egységek és nincs ilyen folyamatos áramlás és közvetlen kapcsolat a cellák között.

A bipoláris tüzelőanyagcellák kiváló hatékonysággal működnek és környezetbarát módon termelnek elektromos áramot, mivel a reakció során csak víz keletkezik melléktermékként. Ezért népszerűek lehetnek tiszta energiatermelési módszerként és fenntartható energiamegoldásként.

 
De mitől alkalmas egy cella csak a hidrogénhez és mitől többféle tüzelőanyaghoz?

A tüzelőanyagcellák alkalmasságát a használt membrán típusa és az elektrokatalizátorok jellege határozza meg. A PEM (Proton Exchange Membrane) tüzelőanyagcella például olyan membránt használ, amely kifejezetten hidrogén- és protonvezető, így a hidrogénionokat továbbítja az elektrokémiai reakció során. Ezért a PEM tüzelőanyagcellák általában hidrogént használnak üzemanyagként, mivel a membránjuk specifikusan hidrogénionokkal működik.

Más tüzelőanyagcellatípusok, mint például a szilárd oxid tüzelőanyagcella (SOFC) vagy a direkt metanol tüzelőanyagcella (DMFC), más típusú membránokat és elektrokatalizátorokat használnak. Ezek a membránok és elektrokatalizátorok lehetővé teszik számukra, hogy különböző tüzelőanyagokat használjanak tüzelőanyagként, mint például metánt, metanolt vagy akár szénhidrogéneket. A SOFC például nagy hőmérsékleten működik és számos tüzelőanyagot képes felhasználni. A bipoláris tüzelőanyagcellák általában többféle tüzelőanyagot is képesek használni. A cella belső felépítése és a membránok kialakítása lehetővé teszi a tüzelőanyagok folyamatos áramlását és az elektromos áram előállítását, függetlenül attól, hogy hidrogént vagy más tüzelőanyagokat használnak-e.

 
Ki, hol és mikortól?

A cellák gyártására természetesen közös vállalkozás jön létre. A cellákat a Symbióval - a Faurecia és a Michelin hidrogéntechnológiai vegyesvállalata – közösen megalapított Innoplat fogja gyártani, a tervek szerint 2024. év eleji kezdéssel. A közös gyártóüzem a franciaországi Haguenauban lesz és kezdetben 4 milliós, majd 2030-ra körülbelül 50 milliós darabszám az ambíciószint. – mindez elengedhetetlen a költséghatékonysághoz.

A téma könnyebb áttekintéséhez két videót is megtekinthetünk:

Forrás:
schaeffler-industrial-drives.com
automotivepowertraintechnologyinternational.com