Tüzelőanyag-elemmel hajtott kisautó

Korszerű energetikai berendezések

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 5. sz. 2005. p. 55–65.


Tüzelőanyag-elemmel hajtott kisautó A korábban általunk is ismertetett tüzelőanyag-elemes kerékpár kifejlesztése után sem pihentek a tajvani Mingdao Egyetem kutatói, és továbbléptek egy hasonló meghajtású kisautó kidolgozásának irányába. A rendszer felépítése, részegységeinek működése. A 100 km-es próbaüzem tapasztalatai, fejlesztések a kerékpár megoldásaihoz képest.

Tárgyszavak: tüzelőanyag-elem; protoncserélő membrán; gépjármű.

A nagy autógyártók világszerte aktív fejlesz-

a program második szakaszában megszületett

tőmunkát folytatnak a jövő autóiba szerelhető

a Mingdao kisautó is. A kerékpárról beszámol-

tüzelőanyag-elemek és megfelelő járművek

tunk tavaly novemberi számunkban (Tüzelő-

prototípusainak létrehozására. Ennek kapcsán

anyag-elemes kerékpár = Energiaellátás, ener-

a környezetszennyezés kiküszöbölése mellett

giatakarékosság világszerte, 2004. 11. sz. p.

az olajfüggőség csökkentése is vezérli a kuta-

47–55.), az utóbbi fejlesztőmunka eredményei-

tókat, akik különösen a jövő hidrogénre tá-

ről ad számot ezen összeállítás.

maszkodó energiagazdaságában is fontos szerepet játszó hidrogénes tüzelőanyag-elemek

Az elő-prototípusnak tekinthető MHV-ben

alkalmazásában látnak nagy fantáziát. Ezen az

(Mingdao hydrogen vehicle, Mingdao hidro-

úton indult el a tajvani Mingdao Egyetem

génes jármű) még nem törekedtek a tömeg, a

szakértőgárdája is, amikor 2000-ben egy 300

méretek és a karosszéria formájának optimali-

W-os tüzelőanyag-elemes meghajtású elekt-

zálására, arra viszont igen, hogy a felhasznált

romos kerékpárt („dongót”) szerkesztett, majd

alkatrészeket és alrendszereket lehetőség sze-

55


rint a kereskedelem kínálatából válasszák ki. A

alrendszereket a tüzelőanyag-elemes rendszer-

kifejezetten helyi forgalomra szánt kiskocsi

nek az 1. táblázatban látható paramétereiből

hajtására 5 kW-os, protoncserélő membránnal

kiindulva tervezték, illetve méretezték.

működő tüzelőanyag-elemes rendszert alakí1. táblázat A tüzelőanyag-elemes telep paraméterei

tottak ki és építettek be az autóba. Ezután a kocsi egy sor próbapados és menet közben végrehajtott teszten, majd megfelelő módosításokon esett át, és számos népszerűsítő bemutató főszereplője is volt. A fejlesztés végső célja gyártható

tüzelőanyag-elemes

technológia

létrehozása, és annak hasznosítása a közlekedésben, illetve a villamosenergia-termelésben.

Specifikáció a cellák száma névleges teljesítmény (0,7 V cellafeszültségnél) névleges feszültség névleges áramerősség csúcsteljesítmény (0,6 V cellafeszültségnél) aktív terület

70 3,2 kW 48 V 68 A 5,0 kW 150 cm2

Működési feltételek anód (tiszta H2) nyomás hőmérséklet relatív páratartalom

40 kPa 70 °C 100%

katód (levegő) nyomás hőmérséklet relatív páratartalom sztöchiometrikus arány

A tüzelőanyag-elemes rendszer felépítése

40 kPa 70 °C 100% 2,5

A jármű „lelkét” képező tüzelőanyag-elemes rendszer működéséhez számos kiegészítő rész-

A tajvani kutatók megállapították, hogy a lég-

egységre van szükség, ezért a rendszer sikeres

ellátó rendszer, a vízhűtés és a hidrogénkeze-

integrálása számottevő mértékben függ az

lés minden egyes alkatrészét rozsdamentes

egyes alkatrészek minőségétől. A jelenlegi

acélból,

rendszer felépítését sematikusan szemléltető 1.

ból/teflonból kell elkészíteni – ellenkező eset-

ábrán látható, hogy nagynyomású hidrogéntar-

ben a cellák elszennyeződhetnek. E követel-

tály, ventilátor, nedvesítő készülék, mágneses

mény kielégítése gondos válogatást, saját elő-

szelepek, nyomásszabályozók, érzékelők (hő-

állítást, vagy laboratóriumi felszerelést gyártó

mérséklet, nyomás, feszültség és áramerős-

cégektől eszközölt beszerzést igényelt. Az

ség), hűtőradiátor, valamint számos cső és

Asia-Pacific Fuel Cell Ltd. cégtől beszer-

kötőelem tartozik hozzá. A tüzelőanyag-

zett tüzelőanyag-elemes telep 70 cellájának

titánból

vagy

speciális

gumi-

elemes konstrukció négy, egymáshoz illeszke-

aktív területe 150 cm2, névleges kapacitása

dő alrendszerre bontható: hidrogénadagolás,

3,2 kW (0,7 voltnál), csúcsteljesítménye pedig

levegőbefúvatás, hűtés és mikrovezérlő. Az

5,0 kW (0,6 voltnál). A telep 2. ábrán látható

56


ionmentesítő bordázott csöves hőcserélő

tűszelep

víztartály vízszivattyú

turbóventilátor szűrő levegőbefúvatás

hőelem terhelés hőelem

V

nedvesítő

bemenő levegő

távozó levegő mágneses szelep nyomásérzékelő

S nyomásérzékelő kézi szabályozó

kézi szabályozó

tüzelőanyagelemes telep

H2 nyomáskiegyenlítő

mágneses szelep

S

H2--átfúvatás

szabályozószelep

mikroszámítógép

nagynyomású hidrogéntartály

1. ábra A tüzelőanyag-elemes rendszer vázlata polarizációs görbéjét a kereskedelemben kap-

A tüzelőanyag-elemes telep az elektromos haj-

ható, optimális vizsgálati feltételeket (hőmér-

tás mellett táplálja a vízszivattyút és az összes

sékletet, nyomást, páratartalmat stb.) nyújtó

többi villamos egységet is. Mivel a hajtómotor

standard próbapadon vették fel. Ebből azonban

üzemi feszültsége széles tartományban (38–56

nem következik, hogy a telep a jármű üzemel-

V) változtatható, energiaellátását közvetlenül a

tetésének reális feltételei között is követni fog-

telep dinamikusan változó feszültségével oldották meg. A többi részegység számára szükséges

ja ezt a jelleggörbét, mivel a forgalomban ki-

állandó feszültségű táplálást feszültségszabá-

alakuló feltételek korántsem ideálisak.

lyozók szolgáltatják. 57


70

6000

60

feszültség, V

50

4000

40 3000 30 2000

20

teljesítmény, W

5000

V-I görbe P-I görbe

10 0 0

50

100

1000 0 150

áramerősség, A

2. ábra A protoncserélő membrános tüzelőanyag-elemes telep polarizációs görbéje

A hidrogénellátó alrendszer

mikroszámítógép szabályozza utólagos beavatkozásra lehetőséget adó érzékelők segítsé-

A

tüzelőanyag-elemek

tiszta

hidrogént

gével a rendszer többi elemeiben is. Ha az

(99,99%) használnak fel a villamos energia

elektrokémiai reakció következtében a nyomás

előállítására. A gáz halmazállapotú hidrogént

az előre beállított érték (20 kPa) alá csökken, a

egy palackban, mérsékelt nyomás alatt (20

H2 nyomáskiegyenlítő elé kapcsolt, normál

MPa) tárolják. Az egyszerű megoldás azonban

állapotban zárt mágneses szelep kinyílik. Az

fejlett technológiát takar. Mielőtt a hidrogén a

anód kimeneténél az üzemanyag-kezelő rend-

tüzelőanyag-elemes telepbe jut, nyomását egy

szerbe egy passzív hidrogén-visszakeringető

kézi működtetésű szabályozóval tovább csök-

szelepet szereltek be a telep gázkivezetése és a

kentik, így adagolása kiegészítő energiaforrást

H2 nyomáskiegyenlítő tartály közé. A hidrogén

nem igényel. Mint a 3. ábrán is látható, a hid-

visszaáramoltatására az üzemanyag-felhaszná-

rogén a nagynyomású palackból az üzem-

lás és a rendszer hatásfokának maximális szin-

anyag-kezelő alrendszeren keresztül a tüzelő-

ten tartása érdekében van okvetlenül szükség.

anyag-elemes telephez jut, majd annak anódjá-

Mint az 1. és a 3. ábrán is látható, az anód gáz-

tól vagy újra a bemenetre, vagy pedig a leve-

visszakeringető körét még egy mágneses sze-

gőbe kerül. A körülbelül 40 kPa-os rendszer-

leppel látták el, hogy a telep feszültségének

nyomást egy nyomásszabályozó állítja be. Ezt

meghatározott szint (pl. 44 V) alá csökkenése

az előzetesen beállított nyomást a központi

esetén kiöblítse az anódon felszabaduló gázt. 58


mágneses szelepek nyomásmérő nyomásszabályozó

nyomásérzékelők

hidrogéntároló

ellenőrzőszelep

3. ábra Az üzemanyagrendszer

A levegőellátó alrendszer

gyártó által ajánlott 2,5-ös sztöchiometrikus arányban) szükséges oxidálószert. Amikor a

A tüzelőanyag-elemes telep számára oxidáló-

rendszert indítják vagy leállítják, a kompresz-

szerként szükséges tiszta (80%-nál nagyobb

szor rövid ideig teljes teljesítménnyel üzemel,

relatív páratartalmú) levegőt egy motoros

hogy eltávolítsa a katódnál összegyűlt vízpárát

kompresszor nyomja a port és az olajat felfogó

és/vagy semleges gázt. A kompresszor motor-

egyedi tervezésű szűrőn keresztül a reakció-

ját

térbe. Az oxidálószert szolgáltató alrendszert

inverter táplálja.

impulzusszélesség-modulációs

(PWM)

úgy tervezték, hogy a kompresszor változtatni tudja a levegő áramlási sebességét az elektro-

A vázolt algoritmusú szabályozás feltételei

kémiai reakció terhelés miatt változó igényei-

mellett a szükséges oxidálószer mindig 2,5-nél

nek megfelelően. Kis teljesítményfogyasztás-

nagyobb sztöchiometrikus arányban van jelen

nál a levegő áramlási sebessége állandó, és

a katódnál, amire a megfelelő mennyiségű

megfelel az elektrokémiai reakció fenntartásá-

oxigén biztosítása mellett a reakciótermék

hoz szükséges alacsony szintnek. Ha viszont a

(víz) hatékony eltávolítása miatt is szükség

teljesítményfelvétel megnő, az alrendszer nö-

van. A levegő megfelelő nedvességtartalmá-

veli a levegő áramlási sebességét is, hogy a

nak fenntartása egyébként kritikus a proton-

kompresszor motorjának gyorsításával bizto-

cserélő membránnal működő tüzelőanyag-

síthassa a katódnál nagyobb mennyiségben (a

elemes telepek üzemeltetése szempontjából. A

59


kialakított rendszerben a katód bemenetére

rokémiai reakció miatt a hűtővíz hőmérséklete

kerülő oxidálószer nedvesítését egy entalpia-

meghaladja a 45 °C-ot. Ha a kimeneten a víz-

kerék rendszerű készülékkel oldották meg.

hőmérséklet 40 °C alá csökken, a ventilátor

Mint az 1. ábrán látható, a telep katódjáról a

leáll. Amikor az tüzelőanyag-elemes rendszert

meleg és párás levegő a nedvesítőbe kerül,

újraindítják vagy leállítják, a ventilátor és a

ahol egy forgó dob a vízpárát elnyeli és a vizet

vízszivattyú azonnal (mintegy 20 másodperc-

a bemeneti hideg és száraz levegőhöz továbbít-

re) bekapcsol.

ja. A dob felületére felvitt szárítószer csak a vízpárát tudja felvenni, ezért az elhasznált gá-

A mikroszámítógép

zok kilépnek a nedvesítőből. Mivel ezzel a megoldással a vízpára soha nem csapódik ki, újra gőzzé alakítása nem igényel többlet-

A tüzelőanyag-elem működésének irányításá-

energiát.

hoz fejlett mikrovezérlő és megfelelő algoritmus szükséges, amely utóbbi képes az tüzelőanyag-elem biztonságos indítására bármilyen

A hűtő alrendszer

üzemmódban, működésének nyomon követésére és leállítására. A jelenleg alkalmazott

A tüzelőanyag-elemes telep vízhűtésű, a hűtő

megoldásban a rendszer kulcseleme egy Intel

alrendszerhez vízszivattyú, ionmentesítő, víz-

8051-es mikroprocesszor, amely képes a beér-

tartály, két hőelem, egy ventilátor és egy bor-

kező hőmérséklet, áramerősség, hőmérséklet

dázott csöves hőcserélő tartozik. A lehűtött

és nyomásadatok megfelelő értelmezésére,

vizet a tartályból szivattyú juttatja vissza a

nemkülönben a külső részegységek (komp-

tüzelőanyag-elemes telephez. A bordázott csö-

resszor, mágnesszelep, vízszivattyú és ventilá-

ves hőcserélő 316 darab rozsdamentes cső és

tor) vezérlésére is. A rendszer állapotát leíró

rézből készült bordák összehegesztésével ké-

információkat a mikroszámítógéppel összekö-

szült, a közönséges ventilátor fúvató üzem-

tött, a műszerfalon elhelyezett folyadékkristá-

módban működik. A telep ki- és bemeneténél

lyos kijelző jeleníti meg. Az imént említett

elhelyezett hőelemek a telep hőmérsékletének

jellemzőkön túl a mikrovezérlő a telep minden

emelkedését regisztrálják, és meghatározzák a

egyes cellájának feszültségét egy 70-csatornás

radiátor révén eltávolított hőenergia mennyi-

analóg multiplexeren keresztül kíséri figye-

ségét. A ventilátort egyébként a mikroszámí-

lemmel, hogy az egyes helyi meghibásodáso-

tógép akkor is működésbe hozza, ha az elekt-

kat időben lehessen észlelni. A mikroszámító60


gépet a tüzelőanyag-elemes telep viszonylag

lyozni a motort, ezért tolató áttételre nincs

nagy feszültségű kimenetétől speciálisan ter-

szükség. A szabályozó mind a kapocsfeszült-

vezett analóg elválasztó erősítő áramkörök

séget, mind a gerjesztőfeszültséget szolgáltatja

szigetelik el. Üzemzavar vagy lekapcsolás

az egyenáramú motor számára. A motor per-

esetén a mikroszámítógép rögzíti az aktuális

cenként 2800-as fordulatszámon 23 Nm forga-

paramétereket, amelyek leolvashatóak a kijel-

tónyomaték leadására képes, maximális sebes-

zőről, vagy letölthetők a beépített RS232-es

sége percenként 4000 fordulat, legmagasabb

szabványú kommunikációs porton keresztül

működési hatásfoka pedig 96%. A motor

személyi számítógépre is.

elektronikus kommutációjához szükséges időzítési információt egy a Hall-effektust hasznosító érzékelő szolgáltatja. A motorszabályzó a

A karosszéria és az erőátvitel

motor túlmelegedését észlelve automatikusan korlátozza az áramerősséget. A karosszéria, a

Karosszériaként egy kereskedelemben kapható

sebességváltó és a tüzelőanyag-elemes rend-

akkumulátoros elektromos autóét használták,

szer együttes tömege (vagyis a jármű önsúlya)

alapjában megtartva annak szerkezeti felépíté-

körülbelül 800 kg.

sét, nemkülönben világítási, fék- és kormányrendszerét is. A meghajtást viszont egy folya-

Eredmények, értékelés

matosan változtatható konstrukcióval cserélték fel, a 4 kW/48V-os egyenáramú villanymotort közvetlenül a meghajtó áttételre telepítették. A

A tüzelőanyag-elemes rendszer hatásfokát a

motor a meghajtott tengelyre rugalmas ten-

telep áramtermelési hatékonysága mellett a

gelykapcsolón keresztül csatlakozik. A készen

hajtás teljesítmény-átalakításának hatásfoka és

kapható sebességváltó teljesen szinkronizált,

a belső fogyasztók (részegységek) fogyasztása

változtatható forgási sebességű csatlakozó

határozza meg. A 2. táblázatban a tüzelő-

tengelyét az áttételi arányt kiválasztó egység-

anyag-elemes telep által kiszolgált részegysé-

gel és a differenciálművel együtt egy fröccsön-

gek külső szállítók által megadott villamos

tött alumínium házban helyezték el. A sebes-

jellemzői szerepelnek. A kutatók azonban

ségváltási és a szabályozási feladatokat külön

mégsem az általuk képviselt terhelés stb. ösz-

motorszabályzó egység látja el, a + 10 V és

szegzésének útját követték, mivel igen nehéz

– 10 V közötti analóg bemenő feszültséggel

lenne minden egyes villamos fogyasztó ese-

előre- és hátramenetben egyaránt lehet szabá-

tében meghatározni a teljesítmény-átalakítás és 61


2. táblázat A tüzelőanyag-elemes áramellátó rendszer által táplált részegységek tipikus teljesítményfelvétele vagy átalakítási hatásfoka Részegységek I. motor II. motor Kompresszor Mágneses szelepek Hűtőventilátorok Vízszivattyú Mikroszámítógép I. konverter II. konverter

Mennyiség

Villamos specifikáció*

Maximális teljesítményfelvétel

Átalakítási hatásfok (%)

1 1 1 2 1 1 1 1 1

48 V/9,5 A 12 V/0,8 A 24 V/10 A 12 V/0,12 A 12 V/0,15 A 24 V/0,8 A 12 V/2A 48–24 V egyenáram 48–12 V egyenáram

4 kW 10 W 250 W 2,8 W 7,2 W 20 W 24 W – –

– – – – – – – 90 90

* A gyártók adatai

a fogyasztás hatásfokát. A teljesítményhez

elemekhez áramló gáz mólban kifejezett

igazodóan üzemelő kompresszor esetében pél-

mennyise:

dául nehéz lenne megállapítani a ténylegesen felhasznált teljesítményt, mivel az a motor

n& =

sebességétől függően ingadozik. Ebből kiindulva a rendszer hatásfokának becslésére a

ahol Pinduló és Pzáró a hidrogén nyomása a pa-

tüzelőanyag-elemes telep által a hajtómotorra

lackban a teszt indításakor, illetve végén.

átadott nettó villamos teljesítmény és a felhasznált hidrogén entalpiájának hányadosát

A 4. ábrán a tüzelőanyag-elemes rendszer

tekintették, az alábbiak szerint:

ε=

1 Pinduló − Pzáró , RT ∆t

hatásfoka szerepel a telep által leadott bruttó teljesítmény függvényében. A rendszer hatás-

I× U n& × ∆h

fokára

vonatkozó

adatok

állandó

terhe-

lés mellett születtek, ami jó feltételeket te-

A fenti képlet számlálójában a jármű hajtásá-

remt az tüzelőanyag-elem különböző teljesít-

hoz leadott, közvetlenül mért nettó villamos

mények melletti működésének ellenőrzésé-

teljesítmény a motoron mért feszültség és

hez. Megállapítható, hogy az általános, más

áramerőség szorzataként szerepel. A nevező-

kutatók által is kimutatott trendnek megfele-

ben szereplő n& , a teszt ideje alatt (∆t) a hidro-

lően a hatásfok a bruttó kimeneti teljesítmény

gént tartalmazó palacktól a tüzelőanyag-

emelkedésével nő. Utazósebességen a rend-

62


szer hatásfoka elérheti a 30%-ot, ami meghaladja a belsőégésű motorok hatásfokát. Ennek ellenére az első laboratóriumi próbálkozásnak tekinthető konstrukción még bőven van javítani való.

40

hatásfok, %

30 20

5. ábra Bemutató próbaúton (a Taiwan Times riportjából, az egyik utas Taiwan elnöke)

10 0

0

500

1000

1500

2000

2500

a rendszer teljesítménye, W

Ami az üzembiztonságot és a megbízhatóságot

4. ábra A tüzelőanyag-elemes hajtású villamos autó rendszerhatásfoka

illeti, erre hidrogén hajtású járművek esetében különös hangsúlyt kell fektetni. Az MHV öszszeszerelése és tesztelése során baleset, veszé-

Miután az tüzelőanyag-elemes telepet a jár-

lyes vagy potenciálisan veszélyes helyzet nem

műbe szerelték, és elvégezték a szükséges mó-

merült fel. Minden egyes próbaüzem előtt

dosításokat, a rendszert a Mingdao egyetemi

rendszeres szivárgás-ellenőrzést végeztek az

negyedének 1,6 kilométeres próbapályáján,

egész hidrogénkörben – például a csöveknél, a

valamint több bemutató során menet közben is

kötőelemeknél, a szelepeknél és a tüzelő-

tesztelték (5. ábra). A jármű sebességét 18

anyag-elemes telepnél. Amennyiben valame-

km/h körül tartották, megállapítva, hogy az

lyik paraméter eltér az előre megadott sávtól, a

egyórás teszt alatt megbízhatóan működött a

mikrovezérlő automatikusan leállítja a rend-

rendszer, ami arra enged következtetni, hogy a

szert. A tesztek során volt néhány ilyen hirte-

működés stabilitása és megbízhatósága megfe-

len leállás, ami a hajtó villanymotor túlmele-

lelő. A kísérleti jármű adatait a 3. táblázat tar-

gedése, valamint a tüzelőanyag-elemes telep

talmazza. A tesztek és bemutatók során a kí-

feszültségének csökkenése vagy a hidrogén

sérleti autó mintegy 100 kilométert futott kü-

fogyása miatt következett be.

lönösebb problémák nélkül. 63


3. táblázat A kísérleti jármű jellemzői Jármű

méretek, h/sz/m tömeg maximális terhelés

3120/1350/2030 mm 800 kg 400 kg

Általános jellemzők

átlagos utazósebesség az ehhez szükséges elektromos teljesítmény maximális sebesség indítás/leállás időtartama kibocsátás zaj üzembiztonság

18 km/h 2 kW 40 km/h 10/20 s tiszta H2O 80 dB 1 m távolságban baleset és veszélyes helyzetek nélkül

Hajtás

típus

farmotor és hátsókerékhajtás

Hajtómotor

típus maximális teljesítmény maximális nyomaték

48 V-os egyenfeszültség, állandó mágneses, szinkron 4,0 kW 23 kgm/2800 rpm

Erőátvitel

áttételi arány kerekek távolsága egyéb

1:22 950 mm a dobféket is tartalmazza

Tüzelőanyag-elem

típus névleges teljesítmény/feszültség

protoncserélő membránnal (PEM) 3,2 kW/0,7 V cellafeszültség

Hidrogéntároló

típus méretek, átmérő/magasság a tárolható hidrogén mennyisége

nagynyomású hidrogén palackok 150/670 mm 1400 liter

Egészében a Mingdao Egyetem tüzelőanyag-

nyű kerékpárhajtás esetében még nem ke-

elemes járműfejlesztési programja sikeresnek

rült szóba) sikeresnek bizonyult;

minősíthető. A prototípus tervezése és teszte-

• a most kialakított hidrogén-visszakerin-

lése során szerzett információ és tapasztalat

getéses rendszer javítja az üzemanyag-

elő fogja segíteni a tüzelőanyag-elemes tech-

hasznosítás hatásfokát;

nológia további tanulmányozását. A most ka-

• a jelenlegi 5 kW-os tüzelőanyag-elemes

pott eredményeket a program I. fázisában (a

telepnél vízhűtést alkalmaztak, míg a ke-

kerékpár fejlesztésével) szerzett információval

rékpár esetén még csak léghűtés volt; • a kerékpárnál korábban alkalmazott két,

egybevetve, több javítás, továbbfejlesztés történt:

állandó sebességgel üzemelő szivattyú he-

• a levegőt szolgáltató rendszerben alkalma-

lyett az oxidálószer (levegő) adagolásánál

zott katódnedvesítés (ami a kisteljesítmé-

már a teljesítményhez igazodó, folyamatosan szabályozott megoldást alkalmaztak.

64


A fejlesztés következő szakaszában olyan hib-

Irodalom

rid rendszert alakítanak ki, amelyben akkumu-

[1] Hwang, J. J.; Wang, D. Y.; Shih, N. C.:

látorok is helyet kapnak a járműben. Ezzel nő

Development of a lightweight fuel cell vehicle. =

a teljesítmény és lehetőség nyílik a fékezési

Journal of Power Sources, 141. k. 1. sz. 2005. febr.

energia visszanyerése révén a hatásfok további

p. 108–115.

javítására is.

[2] Hwang, J. J.; Wang, D. Y. stb.: Development of fuel-cell-powered bicycle. = Journal of Power Sources, 133. k. 2. sz. 2004. jún. p. 223–228.

Összeállította: Dr. Balog Károly

Röviden… Előrelépés a tüzelőanyag-elemek fejlesztésében Környezetbarát áramtermelésük és a tüzelőanyaggal kapcsolatos rugalmasságuk miatt a szilárd oxidos tüzelőanyag-elemek (SOFC, solid-oxide fuel cell) vonzó megoldást kínálnak. Kevéssé kellemes viszont az a tulajdonságuk, hogy magas hőmérsékleten üzemelnek, a 800–1000 °C-os hőmérséklet nagy kihívást jelent a szerkezeti anyagok számára, és ez magas költségeket okoz. A kutatók szeretnék ezt a hőmérsékletet legföljebb 500 °C-ra csökkenteni, de ekkor a hagyományosan az oxigén elektrokémiai oxidálására katódként alkalmazott anyagok romló mutatói okoznak nehézségeket. Ennek kiküszöbölésére vállalkoztak most a Caltech (Kaiforniai Műszaki Egyetem, Pasadena) kutatói, akik egy perovszkit nevű anyagból – amely bárium, stroncium, kobalt és vas oxidjaiból áll – készítettek alacsonyabb hőmérsékleten is használható katódot. A BSCF rövidítéssel is emlegetett anyag nedvesített hidrogén tüzelőanyag és levegő mint katódgáz esetén magas áramsűrűséget tesz lehetővé a cellában, ami annak köszönhető, hogy az oxigén ezen az anyagon át igen gyorsan diffundál. Egy BCSF vékonyréteggel bevont cérium-oxid katódú tüzelőanyag-elem 600 °C-on 1010 mW/cm2 teljesítménysűrűséget tesz lehetővé, 500 °C-on pedig 402 mW/cm2-t, ami több mint kétszerese a stroncium-ón-kobalt-oxid vékonyréteggel bevont cérium-oxid katóddal elérhető teljesítménynek. Kétkamrás cellakonfigurációnál a tüzelőanyag-elem teljes belső ellenállásának mintegy 74%-a a 20 µm vastag elektrolitnak tulajdonítható. Amennyiben sikerülne az elektrolit anyagának összetételét és szintetizálásának módját optimális feltételek mellett megoldani, vagy pedig 10 µm-ra csökkenteni az elektrolit vastagságát, úgy az elérhető teljesítmény 500 °C-on is 600 mW/cm2 lehetne. További javulás lesz elérhető a katód szerkezetének megfelelő kialakításával, aminek az a célja, hogy az oxigén a lehető legnagyobb felületen tudjon reakcióba lépni. Mindenestre a kísérletek bíztatóak, a további kutatások jó eredményekkel kecsegtetnek a gyakorlati felhasználás számára is. (Inside R and D, 33. k. 37. sz. 2004. szept. 15.)

65

Tüzelőanyag-elemmel hajtott kisautó

Recommend Documents