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 – tipikusan a PEM (Proton Exchange Membrane) – hidrogént használ, és az elektromos áramot a hidrogén és az oxigén elektrokémiai reakciójából állítja elő. A folyamat során hidrogénionok és elektronok keletkeznek: az ionok a membránon keresztül áramlanak, az elektronok pedig külső áramkörön haladva villamos energiát szolgáltatnak. A PEM-cellában a membrán két elektrokatalizátor felület között helyezkedik el, a hidrogén-ol oldal és az oxigénoldal reakcióterei pedig elkülönülnek.

A bipoláris tüzelőanyagcella elnevezés nem a felhasznált tüzelőanyagra, hanem a belső felépítésre utal. Ezekben a cellákban az egyes elektrokémiai egységek bipoláris lemezekkel vannak egymásra rétegezve. A bipoláris lemez egyszerre szolgál az előző cella katódjaként és a következő cella anódjaként, ezért a cellák sorba kapcsolása strukturálisan integrált. A rendszer hidrogént, metánt vagy más hidrogéntartalmú tüzelőanyagot is használhat, de a reakció elektrokémiája továbbra is ion- és elektronképződésen alapul.

A bipoláris felépítés előnye, hogy a tüzelőanyag és az oxidálószer folyamatosan és egyenletesen áramoltatható a cellákon keresztül, ami nagyobb hatékonyságot és kompaktabb kialakítást eredményez. Míg a normál PEM-cellák inkább önálló modulokként működnek, a bipoláris rendszerben a cellák közvetlen kapcsolatban állnak egymással, ami javítja az energiasűrűséget és egyszerűsíti a pakk szerkezetét.

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

A tüzelőanyagcellák használhatóságát elsősorban a membrán típusa és az alkalmazott elektrokatalizátorok határozzák meg. A PEM (Proton Exchange Membrane) cellák protonvezető membránnal működnek, amely kifejezetten hidrogénionokat enged át, ezért ezek a rendszerek jellemzően tiszta hidrogént használnak üzemanyagként.

Más cellatípusok, például a szilárd oxid tüzelőanyagcella (SOFC) vagy a direkt metanol tüzelőanyagcella (DMFC), eltérő membrán- és katalizátortechnológiát alkalmaznak, ami lehetővé teszi számukra a különböző tüzelőanyagok – metán, metanol vagy más szénhidrogének – felhasználását. A SOFC nagy hőmérsékleten működik, és különösen széles tüzelőanyag-választékot képes hasznosítani.

A bipoláris tüzelőanyagcellák szintén többféle tüzelőanyaggal működhetnek. Belső felépítésük és a membránok kialakítása lehetővé teszi a tüzelőanyagok folyamatos áramlását a cellák között, így az elektromos áram előállítása hidrogénnel és más energiahordozókkal egyaránt megvalósítható.

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