Gépészet | Gépgyártástechnológia » Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes - A műanyagipar hozzájárulása a tüzelőanyag-elemes autók kifejlesztéséhez

TECHNIKA, GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA, AUTOMATIZÁLÁS, ELEKTRONIKA A műanyagipar hozzájárulása a tüzelőanyag-elemes autók kifejlesztéséhez Tárgyszavak: járműgyártás; üzemanyag; tüzelőanyag-elem; üzemanyagelem; metán; hidrogén; műszaki műanyag; gépkocsigyártók; műanyaggyártók. A jövő autói A társadalmi mobilitást szolgáló járművek jelenleg a belső égésű motorokra épülnek, de mindenki előtt világos, hogy ennek a nem túl távoli jövőben módosulnia kell. Egyik oka, hogy a kitűzött emissziócsökkentési terveknek másképp nem lehet eleget tenni, de talán még ennél is fontosabb, hogy az üzemanyagként elégethető fosszilis tüzelőanyag-készlet lassacskán kifogy. A nagy autógyártók között egyre inkább kialakul az egyetértés, hogy a jövő meghajtási rendszere a tüzelőanyag-elemekre fog épülni. A tüzelőanyagelemek égésterméke ugyanis nem környezetszennyező szén-dioxid vagy szén-monoxid, hanem víz. Maga a

tüzelőanyag (üzemanyag) hidrogén, amelynek „égése” során a tüzelőanyag-elem villamosságot termel. A hidrogént megújuló energiaforrások segítségével kívánják előállítani. Tehát elérhető a „zéró kibocsátás” állapota, amikor nem szennyezik további szén-dioxiddal a légkört. Búcsú a fosszilis tüzelőanyagoktól A fosszilis tüzelőanyagokról véges mennyiségük miatt előbb-utóbb mindenképpen le kell mondani, legkésőbb a következő nemzedék élete folyamán. Jelenleg az iparilag fejlett államokra, amelyek lakossága a Föld lakosságának mindössze 17%-át teszi ki, a teljes energiafogyasztás 60%-a jut. Ennek 90%-át fosszilis tüzelőanyagok, elsősorban kőolaj és földgáz égetésével nyerik. Ilyen felhasználási ütem mellett 50 év alatt kifogyhatnak a kőolaj- és földgázkészletek Ha a fejlődő országok nagyobb mértékben kívánnak részesedni az energiafelhasználásból, még hamarabb kimerülnek a források. Ha

föld la- kosságának maradék 83%-a a fejlett ipari országok energiafelhasználásával összemérhető mennyiséget fogyasztana, a készletek 10 év alatt kimerülnének. Ezért a tüzelőanyag-elem alkalmazása nem csupán futurisztikus vízió, amelyet a környezetvédők erőltetnek, hanem olyan lehetőség, amely megoldást kínálhat a jövő energiaproblémáira, méghozzá nem csak az autózás, de a villamosenergia-termelés területén is. Szinte minden nagyobb gépkocsigyártó erőteljesen dolgozik a tüzelőanyag-elemek fejlesztésén és piaci bevezetésén, és különböző megoldások versenyeznek egymással (1–2. ábra). A BMW például a benzinnel táplált magas hőmérsékletű tüzelőanyagelemek mellett tette le a voksát, míg a Daimler-Chrysler vagy a General Motors a hidrogén vagy a metanol üzemanyagú tüzelőanyag-elemek fejlesztését választotta. Ezek a polimerelektrolit membránnal dolgozó tüzelőanyag-elemek ugyanis alacsonyabb

hőmérsékleten, 80–100 °C-on működnek. Kívülről nézve nem lesz nagy különbség a mostani és a tüzelőanyagelemes autók között, a motorháztető alatt annál inkább. A központi hajtásként szolgáló vagy a kerekekhez egyénileg elhelyezett elektromotor mellett a tüzelőanyag-elemek kötegeit, valamint az ezeket kiszolgáló periferiális egységeket lehet majd látni, amelyek a tüzelőanyag-elemeket üzemanyaggal, ill. a hűtőközeggel látják el flották versenyképes személygépkocsik vezető szerep a piacon 2000 2004 2008 tárolt hidrogén szénhidrogén/benzin reformálása metanol hidrogénnel hajtott buszok hatás, ill. piaci részesedés a tárolt hidrogén lehetséges hatása 2012 2016 2020 2024 1. ábra Különféle tüzelőanyag-elem technológiák, és tervezett bevezetésük az autóiparba 100% 11 90% 10 80% 70% 19 63 járműgyártás 60% gépipar vas és más fémek 17 50% kémia 40% elektrotechnika 5 3 30% 6 43

20% 10% 23 0% belső égésű motor tüzelőanyag-cella 2. ábra Az értékteremtés (beszállítók) megoszlása belső égésű motorok és az üzemanyagelemes hajtás esetében. (Mint látható, a beszállított érték jelentősen el fog tolódni a vegyipar és az elektrotechnika irányában.) A tüzelőanyag-elem működése A tüzelőanyag-elemekben a vegyi energiát közvetlenül villamos energiává alakítják. Ez meglehetősen egyszerű, és Grove 1939-es felfedezésére vezethető vissza Egy ún bipoláris lemezen keresztül egyik oldalon hidrogéngázt vezetnek be, ahol az az anódon oxidálódik, és elektronokat ad le. A másik (katódos) oldalon ugyancsak bipoláris lemezen keresztül oxigént táplálnak be, amely elektronokat vesz fel, és redukálódik. A kettő közötti térben található egy protonvezető, amely a protonokat átjuttatja az anódtérből a katódtérbe. Az elektronáramlás (vagyis a villamos áram) mellett víz és hő keletkezik. Egyetlen

ilyen elem csak 0,7 V feszültséget ad, ezért ahhoz, hogy használható feszültség keletkezzék, sok (kb. 200) elemet kell sorba kapcsolni A elemek felépítése egyszerű: bipoláris lemez – diffúziós réteg – membrán – diffúziós réteg – bipoláris lemez (3. ábra) A elemeket a zárólemezek segítségével csavarozzák össze. Ezek a zárólemezek és csatlakozásaik választják el egymástól a tüzelőanyag-elem rétegeit és a gáz-, valamint a hűtőanyagáramokat A könnyű tárolhatóság miatt szinte biztos, hogy eleinte a metanolt fogják alkalmazni üzemanyagként. Ennek elégetéséhez természetesen még további eljárási lépések szükségesek A metanolt vízgőzzel együtt először egy ún reformáló egységben hidrogénben gazdag gázeleggyé alakítják, majd ebből eltávolítják a keletkező szén-dioxidot és szén-monoxidot, és a keletkezett nedves hidrogéngázt bevezetik a tüzelőanyag-elembe. Az oxigént (a levegőt) ugyancsak

előnedvesítik, és a másik elektródtérbe juttatják. A metanol helyett gondolkoznak propán vagy esetleg hagyományos üzemanyag hidrogénné reformálásán is, amíg ki nem alakul a megfelelő hidrogénellátó infrastruktúra. hidrogén oxigén hő bipoláris lemez (anód) gázdiffúziós elektród katalizátorréteggel membrán gázdiffúziós elektród katalizátorréteggel bipoláris lemez (katód) 3. ábra A tüzelőanyag-elem működési elve Új szerkezeti anyagok A tüzelőanyag-elemes rendszerek számos új szerkezeti anyagot követelnek a reformálás, a sűrítés, az elgőzölögtető és a nedvesítő egységek elkészítéséhez. Át kell tervezni olyan alkatrészeket is, amelyek a hagyományos gépkocsikban előfordultak (pl. levegőszűrő, léghűtő vagy üzemanyagszivattyú) Az üzemanyagelemes autók olyan új követelményeket támasztanak a szerkezeti anyagokkal szemben, amelyeket műszaki műanyagokkal jól ki lehet elégíteni. A szakértők

arra számítanak, hogy a tüzelőanyag-elemes autók elterjedése növelni fogja a keresletet az ilyen műanyagok iránt A leendő gépkocsik gazdaságos előállításához szükség van olcsó és hatékony gyártástechnológiákra, mint amilyen pl. a fröccsöntés A hőre lágyuló, de hőálló műszaki műanyagok könnyen fröccsönthetők, és alkalmazásuk mellett további érv a várható tömegcsökkenés is. Az együttesen jelen levő nedvesség, villamosság és magas hőmérséklet erősen korrozív környezetet képez, amit a műszaki műanyagok többsége el tud viselni Mivel a kémiai energia villamos energiává való átalakítása katalitikus kémiai reakcióban történik, vegyileg tiszta anyagokat kell alkalmazni, hogy a katalizátor ne szennyeződjön. A Ticona cég műszaki műanyagai, közte a POM [(poli(oxi-metilén), márkaneve: Hostaform], a PPS [(poli(fenilén-szulfid), márkaneve: Fortron] és az LCP (folyadékkristályos polimer, márkaneve pl. Vectra)

megfelelnek a korrózióállósági és tisztasági követelményeknek. Kúszásuk elhanyagolható, szilárdságuk nagy, és sokáig ellenállnak a gázállapotú vagy folyékony üzemanyagoknak. A PPS és az LCP ezenkívül 200 °C-ig hőálló is. A rendszerintegráció és az energiagazdálkodás területén számításba jönnek még olyan anyagok is, mint a PBT [poli(butilén-tereftalát), pl. Celanex] vagy a hosszú üvegszállal erősített hőre lágyuló műanyagok (pl. Celstran) A tüzelőanyag-elemes autókat el kell látni metanol-, hidrogén- és oxigénvezetékekkel, és más lesz a hűtőrendszerük is, mint a mai kocsiké. A rendszer lelkét adó polimerelektrolit membrán igen speciális polimerekből készülhet csak, mert egyszerre kell ellenállnia az erősen savas közegnek, a magas hőmérsékletnek és az elektrokémiai hatásoknak. Ezek a követelmények jelenleg a perfluorozott polimerekre korlátozzák a választékot. A Victrex cég a Ballard Power Systems

céggel és egy német alvállalkozóval együtt két új ionomer fejlesztésébe kezdett, amelyeket a Ballard tüzelőanyag-elemekben kíván alkalmazni protonvezetőként. A várakozás szerint a fejlesztési folyamat négy évet is igénybe vehet, amelyben már benne van a sorozatgyártás és a minősítés kifejlesztése, illetve a félüzemi gyártás is. A várakozások szerint a kifejlesztendő új ionomerek olcsóbbak lesznek az eddig alkalmazottaknál, ami tömeggyártásnál alapvető kérdés. A Ballard cégnek van egy kutatórészlege a németországi Jülich-ben, ahol a berlini BEWAG céggel közösen fejlesztik a tüzelőanyag-elemeket, és a MAN céggel közösen dolgoznak tüzelőanyag-elemes autóbuszok fejlesztésén Berlin, Koppenhága és Liszszabon utcáira. A Ticona mellett más műszaki műanyaggyártók, pl. a Victrex és a DuPont cég is nagy fantáziát lát az üzemanyagelemes autók esetleges elterjedésében, hiszen a nemesfémek árban semmiképpen nem

vetekszenek a műszaki műanyagokkal, még ha korrózióállóságban esetleg jobbak is. A jelenlegi tüzelőanyag-elemek prototípusai elviselhetetlenül drágák a tömegtermeléshez A sorozatgyártáshoz a bipoláris lemezeket és a zárólemezeket stabil műszaki műanyagokból (pl. LCP, PPS) célszerű készíteni A DuPont cég speciális po- limerek területén szerzett ismereteinek birtokában saját tüzelőanyag-elem fejlesztésébe fogott. A Nafion márkanevű perfluorozott ionomer membránok révén, amelyeket már 35 éve használnak ilyen célra az űrhajózásban, ez a cég eddig is igen fontos szerepet játszott a polimerelektrolit membránok területén, és ezt ki óhajtják terjeszteni más alkatrészekre is. Fejleszteni akarják a kisméretű hordozható, telepített és gépkocsikba szánt tüzelőanyag-elemeket A DuPont jelenleg egy tüzelőanyag-elem alapanyag-szükségletének felét saját polimerjeiből tudja kiválasztani. A jövő már jelen van A

hidrogénnel működő autóbuszok már próbajáratokon közlekednek az utcákon. Ami a személygépkocsikat illeti, a Daimler Chrysler cég A-osztályú gépkocsijai tüzelőanyag-elemmel már több százezer kilométert futottak, és a Ford, a Toyota vagy a GM is arra számít, hogy 2004-ben már nagy sorozatban tudnak kihozni tüzelőanyag-elemes gépkocsikat. Feltehető, hogy először csak nagyobb cégek fognak ilyen jellegű „flottákat” üzembe állítani, az új hajtó rendszer nagyobb mértékű egyéni felhasználását csak 2008 körül várják. A Ford cég ugyan már számos európai országban bemutatta tüzelőanyagelemes Focus FCV változatát, de 2010 előtt nem számít a sorozatgyártásra. Japánban azt tervezik, hogy 2010-ben már legalább 50 E ilyen kocsi fusson az országban. Hogy a tüzelőanyag-elem mikor tudja kiváltani a belső égésű motort, attól is függ, hogy mikorra sikerül megoldani a hidrogén biztonságos tárolását, és mikorra épül ki

az ehhez szükséges infrastruktúra Minél hamarabb sikerül a tüzelőanyag-elemes autókkal használható hatótávolságot elérni, annál könnyebb lesz a piaci bevezetésük. Az azonban már ma dől el, hogy ha sorozatgyártásra kerül sor, milyen anyagokat fognak alkalmazni, ezért számos műanyagos cég kezdett saját tüzelőanyag-elem fejlesztésbe, vagy próbál együttműködni olyan cégekkel, amelyek már tapasztalatokkal rendelkeznek ezen a területen, ill. alkalmazni kívánják a tüzelőanyag-elemeket A Fraunhofer Intézetek láncolatához tartozó egyik kutatóintézet Pfinztalban kifejlesztett egy 8 V-os, 10 W teljesítményű tüzelőanyag-elemet egy videokamera számára, amelyben a hidrogén tárolását fém-hidridekkel oldják meg, és amelynek mérete és teljesítménye összevethető a legnagyobb újratölthető elemekével. Ugyanennél a cégnél kialakítottak egy elektronikus notesz (notebook) méretű számítógép meghajtására alkalmas

tüzelőanyag-elemet is, amelynek fajlagos teljesítménye 1 W/cm3, és amelyet metánnal vagy hidrogénnel is lehet működtetni. A kutatók keresik a bipoláris lemezek és egyéb alkatrészek ideális tervezésének és gyártástechnológiájának megfelelő módszereit. A fosszilis tüzelőanyagokról az egyéb energiaforrásokra való átállás jelentős gondolkodásmódbeli változást követel meg a tervezőktől és felhasználóktól egyaránt. Az egyik kutató véleménye szerint a jövőben a kőolajból inkább műanyagot kellene gyártani ahelyett, hogy elégetnénk – ami kább műanyagot kellene gyártani ahelyett, hogy elégetnénk – ami ma még szinte elképzelhetetlen. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes) Reil, F.: Brennstoffzelle für alternativen Antrieb = Kunststoffe, 91 k 8 sz 2001 p 74–77 Protonenaustausch verbessern. = Plasverarbeiter, 52 k 4 sz 2001 p 60 Hard cell. = European Plastics News, 28 k 8 sz 2001 p 105–106