Ända sedan andra världskrigets slut har det varit ett
skämt att bränslecellsdrift kommer om fem år. Men nu är det allvar – de är
redan här.Och ännu mer om fem år.
Av Mitch Jacoby, C&EN,
Chicago
Excerpt och översättning J-G Hemming
|
Foto av en bränslecell under
huven på en Toyota Mirai.
Credit: Toyota
|
Raymond Lim, lärare i psykologi
och statistik, beskriver sig själv som bil-entusiast som gillar att pröva på ny
teknik. Celso Pierre har också sinne för nya grejer. Han är ingenjör i mekanik
och gillar långa utflykter. När Pierre hör talas om ny teknik vill han snabbt
lära sig. Båda dessa män har länge varit intresserade av elbilar. Så Lim och
Pierre anslöt sig till den växande skara motorister i Kalifornien som kör runt
i egna bränslecellsdrivna bilar. Lim kör Toyota
Mirai och Pierre Hyundai Tucson.
Dessa
vätedrivna elbilar har varit under utveckling under decennier som alternativ
till konventionella bilar; de är oberoende av fossila bränslen och förorenar
inte – de ger bara ifrån sig vattenånga. Under den tid de utvecklats har
otaliga prototyper och bränslecellsdrivna fordon testats under miljontals
kilometers körning och finslipat tekniken i praktiken. Ändå har bilintresserade
blivit besvikna på den till synes eviga tid som gått, innan bränslecellsdrivna
bilar finns att köpa. Att år efter år höra förutsägelser om att
bränslecellsdrift ”blir verklighet om fem år” har gett en teknikintresserad
allmänhet intrycket, att bilindustrin gett upp hoppet om massproduktion av
bränsleceller för bilar.
Men
det intrycket är alldeles fel. Industrin fortsatte utveckla tekniken.
Förutsägelsen om de fem åren blev sann till sist. Trots att antalet
bränslecellsdrivna bilar till salu är relativt litet idag och bara tillgängliga
i begränsade områden, så är det nu äntligen möjligt för privatbilister att köpa
en. Under tiden satsar industrin på att utöka infrastrukturen för tankning av
väte både i USA och i andra länder. Man fortsätter också arbetet med att göra
bilarna billigare och bättre.
Bränslecellens utveckling Konceptet för bränsleceller går tillbaka till
1800-talets början. Men det dröjde till 1900-talet innan olika typer av
bränsleceller visade att de var tillförlitliga elproducenter. De vann
erkännande som tillförlitliga när USA:s rymdprogram använde dem som elförsörjning
i Gemini och Apollo och andra rymdprogram.
Liksom
batterier (deras ”elektrokemiska kusiner”) har bränsleceller elektroder som
extraherar elektricitet från kemiska reaktioner. I såväl batterier som
bränsleceller blir det redox-reaktioner när en positiv elektrod förbinds med en
negativ elektrod via en yttre strömkrets.
När
oxidationsreaktioner sker vid en anod och reduktion sker vid en katod går
elektroner genom kretsen och driver en ansluten elförbrukare – som en elmotor
när det gäller en bränslecellsbil.
Men
till skillnad mot batterier, som lagrar oxidant och reduktant inom det
elektrokemiska ”paketet”, så hämtar bränsleceller oxiderare och bränslen
utifrån. Det leder till att bränsleceller inte förbrukas eller behöver laddas
som batterier måste. Principiellt kan bränsleceller fortsätta generera
elektricitet, så länge det finns tillgång till nya reaktanter för systemet.
Otaliga
typer av bränsleceller har sett dagens ljus genom olika forsknings- och
utvecklingsstadier. Många av dem har kommersialiserats. De skiljer sig
principiellt åt ifråga om vilken elektrolyt, som transporterar joner mellan
elektroderna; vilka material elektroderna och andra komponenter består av; samt
den avsedda tillämpningen.
Bränsle
kan också variera beroende på typ av bränslecell. Det är vanligt att väte är
bränsle och syre oxidant. Men det finns också system som tar väte från
alkoholer och kolväten, liksom sådana som använder metanol direkt, utan
föregående konvertering till väte.
Bränsleceller
för bilar använder en PEM (Polymer Electrolyte Membrane). Den mikrometertjocka
filmen har två funktioner: Den är en fast elektrolyt som leder vätejoner från
anod till katod. Och den skiljer gaserna åt och förhindrar därmed okontrollerad
blandning av väte och syre. En sådan blandning skulle förorsaka slöseri med
bränsle, leda till dålig funktion hos bränslecellen samt leda till biprodukter
som kan fördärva bränslecellen.
Antalet
bränslecellsdrivna fordon har stadigt ökat sedan de började marknadsföras i
mitten av år 2015, då Toyota började sälja sådana i Japan och Kalifornien.
Hyundai och Honda har också börjat marknadsföra bilmodeller drivna av
bränsleceller, så antalet börjar stiga.
År 2016 ökade Toyota produktionen av sin fyrsitsiga modell Toyota Mirai
(Mirai betyder Framtid på japanska) från 700 år 2015 till ca 2 000. I år
planerar man producera ca 3 000.
Enligt Bo Hi Kong, en forskare på Hyundai’s Fuel Cell Research Lab,
väntas den sydkoreanska biltillverkaren producera ca 1 000 ex av Tucson
bränslecellsbil till detta års slut och distribuera dem till 18 länder.
Honda producerar ett liknande antal av sin modell Clarity, en sportig
femsitsig bränslecellsdriven sedan. Och alla dessa tre biltillverkare, som är
ensamma om att sälja eller leasa bränslecellsbilar i USA, ämnar öka
produktionen till tiotusentals i slutet av detta decennium.
Så vad fick då bränslecellsbilar att gå från skämtet om det eviga
”kommer om fem år” till att slutligen hamna i folks garage? För det första har biltillverkarna
vunnit ingenjörs- och tillverkningsmässig erfarenhet, som hjälpt till att sänka
produktionskostnaderna. För det andra har de kontinuerligt förbättrat
PEM-bränslecellerna och lärt sig hur man signifikant kan reducera mängden dyr
platina och ändå få utrustningen att fungera effektivt. Dessa framsteg har lett
till billigare, mindre men ändå kraftfullare utrustning, som dessutom gynnar
flexibilitet i bilarnas design, med andra ord gett modellfloran en rad
storlekar och priser som är attraktiva för kunderna.
Siffror på bränslecellsdrivna bilar
Mirai, $57 500; Antal celler i stacken 370; Väte i tank, kg ≈5
Körsträcka för full tank väte, km >480; (Batteridrivna bilar, km <240)
Tid för att tanka väte, min <5; (Ladda batteridrivna bilar, minuter 30-720)
Det finns utrymme för tillväxt. Huruvida biltillverkarna kommer att nå sina
produktionsmål kommer att i stor utsträckning bero på hur nöjda bilägarna
kommer att vara med sina bränslecells-bilar. ”Kunderna väntar sig samma
prestanda och totala körupplevelse som de har med bensin- och dieseldrivna
fordon”, säger Hong.
Lim skryter om Mirai’s köregenskaper och hantering. ”Den här bilen är
underbar”, säger han. ”Den är mjuk, lugn och kraftfull att köra”, säger han.
Och vad gäller tankning, så går det snabbt – ”på mindre än 5 minuter, och det
ger mig en körsträcka på ca 480 km”, säger han.
Dessa likheter med bensinbilar framstår som fördelar för
bränslecells-fordon framför batteridrivna helelektriska bilar. Många av dessa,
som också kallas plug-in elfordon, kräver från 30 minuter till 12 timmar för
att bli fulladdade, beroende på typ av laddare. Och flera av dem går mindre än
240 km per laddning.
Dessa faktorer kan tyckas gynnsamma för bränslecells-bilar. Men de
behöver väte och för närvarande finns det bara 29 tankstationer för väte i USA,
alla i Kalifornien.
”Det är ett scenario som hönan och ägget”, säger Joseph Cagnelli,
chefsingenjör på Hydrogenics, en tillverkare av bränsleceller i Toronto.
Tillverkare av bränslecells-fordon tvekar att öka produktionen om
kunderna inte har bekväm tillgång till väte, säger han. Och mackägare är
motvilliga att bygga vätemackar utan nödvändig tillgång på det bränslet.
Men antalet vätemackar kommer att öka. Kalifornien väntas få
ytterligare 36 vätemackar under 2018, hälften i norr och hälften i söder.
Vätemackar är också på gång i nordost. Enligt Jana L. Hartline,
språkrör för Toyota, så ska Toyota i samarbete med Air Liquids, bidra till
uppförandet av 12 vätemackar i i New York, New Yersey, Massachusetts, Rhode
Island och Connecticut. Hon säger att de första av dessa mackar ska vara klara
före årets slut. Och i Japan har Toyota och nio andra japanska företag gått
samman om att bygga 160 vätemackar och ämnar få ut 40 000
bränslecells-bilar på vägarna till år 2020.
Problem som återstår att lösa Trots att antalet kommersiellt tillgängliga
bränslecellsdrivna fordon fortsätter att öka, så fortsätter forskare söka efter
sätt att minska kostnader och öka livslängden. En av de bäst studerade
möjligheterna att sänka priset är att minska mängden platina. Platina används
som katalysator för de elektrokemiska reaktionerna.
”Platina har länge fått klä skott för bränslecellers höga kostnader”,
säger Mark F. Mathias, chef för försök och forskning om bränsleceller hos
General Motors. Under de senaste 10 åren har GM liksom andra tillverkare av
bränslecellsdrivna fordon lyckats minska mängden platina i en bils
bränslecellstack från grovt 80 till 30 gram per bil. För närvarande är målet 10
gram per bil, något som är inom räckhåll, säger Mathias.
Samma forskare undersöker möjligheter minska kostnader genom att
överhuvudtaget undvika platina och andra dyra metaller. Piotr Zelenay och hans
kolleger vid Los Alamos National Laboratory har tagit fram katalysatorer som
består av kväve, kol och billig metall som järn eller kobolt, som visar hög
aktivitet för reaktionen syre-reduktion, en nyckelprocess i vätedrivna
bränsleceller.
Då biltillverkarna fortsätter sänka priserna på och öka produktionen av
bränslecellsdrivna personbilar kommer alltfler privata bilister ges tillfälle
äga sådana. Några kommer att motiveras av dessa bilars miljövänliga nollutsläpp,
medan andra kommer att attraheras av intresse för senaste teknik och nyfikenhet
på vätekraft.
Åter andra kan ha samma idé som den stolte Mirai-ägaren Lim: ”Folk
frågar om bilen hela tiden”, säger han glatt. ”Folk ser hela tiden åt mitt håll
och vinkar åt mig”. Lim gillar att tala med folk om vätedrivna
bränslecellsbilar och ser till att ha en stor hög med broschyrer till hands.
”Jag har redan delat ut mer än hundra av dem”, säger han.