Bränslecellsdrivna bilar kommer

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.