Världspremiär för Volkswagens högtempererade bränslecell
Ett forskarteam på Volkswagen har nått ett genombrott när det gäller bränsleceller. Detta beskrivs som en nyckelteknologi på vägen mot den serietillverkade bränslecellsbilen. I korthet blir bränslecellsystem som utvecklas av Volkswagen-koncernen mindre, effektivare och billigare. Detta bland annat tack vare nya membran och nya elektroder.
Volkswagen-koncernens forskare har utvecklat en högtemperatur-bränslecell (HT-BC) som är världsunik. Den eliminerar ett stort antal av de nackdelar som finns i de hittills bekanta lågtemperatur-bränslecellerna (LT-BC), och som används runt om i världen i nästan alla fordonstyper med detta drivsystem.
Professor Dr Jürgen Leohold, chef för Volkswagen-koncernens forskning, kommenterar:
– Högtemperatur-bränslecellen som under sju års forskningsarbete självständigt utvecklats hos Volkswagen gör hela systemet i bilen lättare, mer kompakt, mer hållbart och billigare. Och det är de avgörande faktorerna för att ge bränslecelltekniken den avgörande knuffen på väg mot serietillverkning.
– Vi tror att högtemperatur-bränslecellen är en del av framtiden. Däremot ser vi inte längre att lågtemperatur-bränslecellen har någon chans att komma till serietillverkning.
Nya membran och elektroder
Mer i detalj handlar det om att Volkswagen Research utvecklat nya membran och nya elektroder till bränslecellen. Membran, elektroder, celler – det är komponenterna som rymmer den exceptionellt komplexa processen att utvinna elektrisk energi från kemisk energi för att driva elmotorn i framtidens bränslecellsbilar.
Bortser man från denna komplicerade process och bara tittar på de nyutvecklade delarna ”membran” och ”elektroder”, erbjuder Volkswagens system följande fördelar jämfört med lågtemperatur-bränsleceller: Lågtemperatur-bränslecellerna drivs vid en membrantemperatur på ungefär 80 grader Celsius. Om temperaturen stiger rejält ovanför detta värde bryts bränslecellens prestanda ner och cellen får skador som inte går att reparera. Det är därför som fordonsprototyper med LT-bränsleceller har extremt sofistikerade och dyrbara kylsystem. Enbart själva kylarens yta är tre gånger större än i en dieselmotor (!).
Klarar sig utan fukt
I ett LT-system måste dessutom tillförseln av vätgas och luft oavbrutet ”fuktas”, i annat fall kommer produktionen av energi att bryta ihop, vilket ger permanenta skador på bränslecellen.
Denna ”befuktning” av vattenmolekyler som lagras i membranen ökar på systemets vikt och äter dessutom upp både utrymme och pengar. De högtemperatur-membran som Volkswagen utvecklat kan – i kombination med de nyutvecklade elektroderna – ”drivas” till temperaturer upp till 120 grader Celsius med bibehållen tillförlitlighet och utan effektförlust. Och detta utan ”befuktning”. I HT-BC leds protonerna via fosforsyra. Denna syra har lika goda elektrolytiska egenskaper som vatten, samtidigt som den har en högre kokpunkt. Det är därför som HT-BC klarar sig med betydligt enklare kylsystem och vattenstyrning. Detta reducerar avsevärt både vikt och kostnader. Platsbehovet för bränslecellsystemet sänks också med mer än 30 procent.
Ny typ av pasta
Men fortfarande fanns ett problem som ännu inte var löst: Precis som i lågtemperatur-membranen uppstod så kallat ”produktvatten”. Vattnet trängde in i membranen och spolade bort fosforsyran. Detta orsakade ett avbrott i strömflödet. Fram till denna punkt hade alla försök att göra en fungerande högtemperatur-bränslecell med bekanta material misslyckats. Intensiv grundforskning hos Volkswagen ledde så småningom fram till resultatet att förutom nya membran var det också nödvändigt med speciella modifikationer av elektroderna. Dessa skulle förhindra att ”produktvattnet” trängde in i membranen.
Lösningen: På en speciell screentryckmaskin, liknande de som används inom halvledartekniken, beströk forskarna hos Volkswagens teknologicenter i Isenbüttel ett flertal fleece-tygstycken tillverkade av kolfiber med en ny typ av pasta. Dessa nykonstruerade elektroder genomgick sedan omfattande tester i bränslecell-staplar (stackar). Resultatet var tydligt: ”Produktvattnet” kunde inte längre penetrera membranen och späda ut fosforsyran. HT-teknologin är därmed redo för nästa utvecklingssteg.
På marknaden 2020
En spaning in i framtiden kan se ut så här: Det utvecklas allt effektstarkare högtemperatur-bränslecellsystem som förfinas steg för steg och som förväntas driva de första forskningsfordonen år 2010. Omkring år 2020 kan vi få se de första Volkswagenbilarna med bränslecellsdrift som är – och det här är helt avgörande – både ekonomiskt överkomliga och vardagsdugliga.
Tilläggsinformation 1 – principfunktionen i bränsleceller
Det centrala elementet i varje enskild bränslecell är ett protonledande membran. Det är placerat mellan anod och katod i varje bränslecell. Vätgas strömmar in i bränslecellen på anod-sidan medan luft tillförs från katod-sidan. När många sådana celler kombineras (i ”stackar”) bildas tillräckligt med energi för att driva ett fordon. I varje cell reagerar vätgas och syrgas vilket resulterar i vatten på katodsidan. På så sätt förvandlar bränslecellen den kemiska energin i en oxidationsprocess – en så kallad ”kall förbränning” – direkt till elektrisk energi.
De ”avgaser” som uppstår är ingenting annat än ren vattenånga.
Bränslecellen matas via en vätgastank och en extern lufttillförsel. Den elektriska energin – kraften – som skapas av bränslecellen levereras till en eller flera elmotorer via en omvandlare och en statisk omformare. Som ett resultat går bilen praktiskt taget ljudlöst, och definitivt avgasfritt.
Tilläggsinformation 2 – kronologi över Volkswagens bränslecells-forskning
Volkswagen har i årtionden varit aktivt när det gäller forskning om bränsleceller. Under det arbetet har potentialen i lågtemperatur-bränsleceller också undersökts genomgripande. Milstolparna är flera i detta sammanhang: Det så kallade Capri-projektet (1996-2000, hybriddrift i Golf Variant med 20-kilowatts bränslecell), Bora HyMotion (2000, hybrid-bränslecellsbil med 30 kW konstant bränslecells-effekt), PSI-Bora i samarbete med Paul Scherer-institutet (2001, körtester över det höga 2005 meter höga Simplon-passet med 40 kilowatts bränslecellsbil) och Touran HyMotion (sedan 2004, integration av bränslecell med 65 kW kontinuerlig effekt utan begräsningar i bilens utrymmen, inklusive fältprover i Kalifornien och Kina).
Forskningsresultaten i ämnet lågtemperatur-bränsleceller blev till slut avgörande för att koncentrera ansträngningarna till utvecklingen av högtemperatur-bränslecellsystem som är lämpligare för vardagsbruk, kompaktare och billigare.
