Technische Universiteit Delft
Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie
C.K. Lam Brandstofceltoepassingen in transportmiddelen.
Literatuuropdracht/scriptie, Rapport 2000.TT.5288, Sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek.
Het gebruik van brandstofcellen is niet nieuw. De eerste toepassingen van deze cellen werden al uitgevoerd in de Gemini Space vluchten in de jaren '60. In de laatste jaren is de belangstelling voor het gebruik van brandstofcellen toegenomen door de zorg voor de milieuvervuiling. Het aantal voertuigen op de weg neemt voortdurend toe en deze trend zal in de komende jaren blijven doorzetten. Vooral in dichtbevolkte steden leidt dit tot emissieproblemen. Men probeert deze problemen te reduceren door het gebruik van alternatieve aandrijvingen (zonder verbrandingsmotoren), die milieuvriendelijker zijn dan de conventionele verbrandingsmotoren.
Het doel van dit rapport is het onderzoeken of het technisch en economisch mogelijk is om over 5 tot 15 jaar transportmiddelen op brandstofcellen te laten werken. Deze transportmiddelen zijn onder andere vorkheftrucks, AGV's (Automated Guided Vehicle), personenauto's, bussen, vrachtauto's, treinen en schepen. In dit rapport wordt hiervoor een beschouwing gegeven op basis van van uit literatuur verkregen informatie.
Brandstofcellen creëeren direkt elektrische energie uit de brandstoffen (waterstof) en zuurstof. Hierbij ontstaat naast elektrische energie ook water. Door brandstofcellen in serie te laten schakelen (stacken) kunnen de gewenste voltages en stroomdichtheden worden bereikt. Het totale brandstofcelsysteem voor een voertuig bestaat uit de volgende onderdelen: Fuel Processor, Fuel Cell Stack en Fuel Cell subsystemen. De Fuel Processor is nodig om waterstofgassen te produceren uit vloeibare brandstoffen zoals methanol en benzine. De Fuel Stack bestaat uit in seriegeschakelde brandstofcellen. De subsystemen zorgen voor de volgende functies: waterstofvoorziening, zuurstofvoorziening, watermanagement en warmtemanagement.
Men vraagt zich af waarom dan geen batterijen worden gebruikt in plaats van brandstofcellen. Een voordeel van brandstofcellen ten opzichte van batterijen is dat het systeem niet opgeladen hoeft te worden. Daarnaast hebben batterijen een veel groter gewicht dan brandstofcelsystemen.
Voor transporttoepassingen zijn vaste polymeer-brandstofcellen het meest geschikt. Deze cellen kunnen rond 80 tot 100°C opereren. Ze kunnen erg efficient werken. Het rendement ligt tussen 50 tot 80%. Het specifieke vermogen van deze cellen is vergeleken met andere typen brandstofcellen hoog (50-300W/kg). Waterstof is de meest geschikte brandstof voor brandstofcellen. Dit heeft te maken met het eenvoudige reactieproces van waterstof. Het rendement ligt hoger dan het rendement van andere typen brandstoffen. Hierdoor zijn voertuigen met waterstof brandstofcelsystemen eenvoudiger in ontwerp en het gewicht van deze voertuigen is lager.
Een belangrijk voordeel van brandstofcellen t.o.v. de huidige verbrandingsmotoren is de hogere omzettingsefficiëentie van brandstofcellen. Bij
verbrandingsmotoren treedt veel warmteverlies op zodat het rendement laag blijft. Ondanks de polarisatieverliezen die optreden bij brandstofcellen is het rendement van brandstofcellen hoog. Een andere goede eigenschap van brandstofcellen is de lage emissie van o.a. CO2. CO2-emissie stimuleert het broeikasteffect en leidt tot grote milieuproblemen in drukke steden. Een voertuig met een brandstofcelsysteem op waterstof is geclassificeerd als een nul-emissie-voertuig. Het einge dat uit de uitlaat komt is water.
De hybridetechnologie heeft aangetoond dat altematieve aandrijvingen technisch gezien goed kunnen functioneren. De Toyota Prius blijkt goed te kunnen opereren in een gebied met druk verkeer. Met behulp van deze technologie kan men hybridecombinatie toepassen voor brandstofcellen. De
brandstofcelmotor werkt dan op voIle capaciteit en de accu's werken alleen bij piekbelastingen. Hierdoor worden de motoren optimaal benut, waardoor het brandstofverbruik wordt verlaagd.
Een ander belangrijk punt zijn de kosten van brandstofcelsystemen. Vergeleken met dieselmotoren (± 300 gulden per kW) zijn brandstofcellen nog erg duur (± 10.000 gulden per kW). Dit komt omdat er nog geen massaproduktie is van brandstofcellen. Bij hoge produktieaantallen zullen de kosten zeker dalen. Verschillende bedrijven zoals Daimler-Benz, Siemens en General Electric hebben studies gedaan over de kosten van brandstofcellen in de toekomst. De kosten zullen in het jaar 2010 ongeveer 200 tot 500 DM/kW bedragen bij een produktie van 100.000 eenheden. Om dit te bereiken zal er veel onderzoekwerk moeten worden verricht.
De commercialisatie van brandstofcelpersonenauto's en brandstofcelbussen is al begonnen. Over enkele jaren zullen de eerste commerciele brandstofcelvoertuig op de weg rijden. Niet alleen deze personenvoertuigen kunnen brandstofcellen gebruiken voor de aandrijving. Technisch is het mogelijk dat bijna elk voertuig dat nu wordt aangedreven met behulp van een conventionele motor in de toekomst wordt aangedreven met behulp van brandstofcellen. Over 10 tot 15 jaar, wanneer de nagestreefde doeleinden worden bereikt, kunnen transportmiddelen zoals locomotieven, schepen, vorkheftrucks en AGV's (Automated Guided Vehicle) op brandstofcelsystemen opereren.
Rapporten studenten Transporttechniek en Logistieke Techniek
