TEHNIKE VIJESTI

goriva i maziva, 43, 4 : 331-336, 2004. 331

RAZVOJ VOZILA POGONJENIH GORIVNIM LANCIMA I NJEGOV UTJECAJ NA BUDUNOST INDUSTRIJE RASHLADNIH

TEKUINA S ANTIKOROZIJSKIM DJELOVANJEM

Energija iz gorivnih lanaka Koncept gorivnih lanaka poznat je ve vie od 160 godina. Naime, prvi gorivni lanak izumio je britanski fiziar sir William Robert Grove 1839. godine. Svoje eksperimente je opisao 1842. godine i gorivni lanak naziva voltina plinska baterija. Godine 1889. L. Mond i C. Langer unaprijedili su gorivni lanak dodajui izmeu elektroda poroznu vodljivu membranu. Krajem devetnaestog stoljea uvode naziv gorivni lanak-fuel cell. Na istraivanju gorivnih lanaka radili su mnogi elektrokemiari. Tek 1932. godine F. T. Bacon smilja tehniki upotrebljiva rjeenja. Sredinom pedesetih godina proizvode se prvi gorivni lanci za pogon malih elektrinih ureaja, a sredinom ezdesetih godina zapoela je uporaba gorivnih lanaka u svemirskim letjelicama. U gorivnom lanku elektroliza vode protjee u obrnutom smjeru. Od vodika i kisika, uz oslobaanje topline, nastaju elektricitet i voda. No, budui da se pomou strujnog generatora, kojeg je izumio Werner von Siemens, elektrini uinak mogao proizvoditi mnogo jednostavnije, Groveovo se otkrie nije uspjelo nametnuti. Gorivni su lanci tek nakon 2. svjetskog rata nanovo otkriveni, i bili su koriteni iskljuivo za posebne namjene, prije svega u svemirskim putovanjima i na vojnim podrujima. Ipak, trokovi proizvodnje su, zbog malog broja komada koji su se proizvodili, te zbog uporabno vrlo specifinih naina konstruiranja, bili vrlo visoki. Glomaznost, te vrlo visoka cijena, uostalom kao i svega u svemirskoj tehnologiji, na Zemljinoj je povrini limitirala njihovu uporabu na svega nekoliko egzotinih primjena. Nove tehnologije ukazuju na jeftinija i uinkovitija rjeenja, te najavljuju da njihovo vrijeme tek dolazi. Smanjenjem dimenzija poveala se mogunost i za pogon automobila. Kao i u baterijama, elektrina struja se u gorivnim lancima proizvodi kemijskim reakcijama, te se za razliku od baterija mogu gotovo neogranieno mnogo puta ponovno napuniti. Tek posljednjih godina su se poeli razvijati sustavi gorivnih lanaka podobnih za izradu veih serija. Ovaj su proces osobito potaknuli budui kalifornijski kriteriji glede automobilskih ispunih plinova. Uskoro bi se na tritu trebala nai i prva serijski proizvedena osobna motorna vozila s pogonom na gorivne lanke. No, u tu svrhu je potrebno razviti proizvodne metode koje e omoguiti da cijene agregata budu trino prihvatljive. Tako se u automobilskoj industriji govori o 50 do 100 $ po kW. Ovaj razvitak, meutim, omoguava cijene koje e gorivne lanke uiniti atraktivnim i zaostala korisnika podruja. U tijeku razvoja, kao i na tritu, nalazi se vie vrsta gorivnih lanaka.

TEHNIKE VIJESTI

332 goriva i maziva, 43, 4 : 331-336, 2004.

Kako radi gorivni lanak? Gorivni se lanak sastoji od anode (negativne elektrode koja odbija elektrone), elektrolitne membrane u sredini i katode (pozitivne elektrode koja privlai elektrone). Kako gorivno bogato vodikom dospijeva na anodu lanka, pokrov od platine na anodi pomae odvajanje plina na protone (vodikovi ioni) i elektrone. Elektrolit omoguuje prolaz protona prema katodi gorivnog lanka, ali slui kao barijera kemijskim reaktantima. Elektroni ne mogu proi kroz ovu membranu te se tako stvara elektrina struja u jednom smjeru. Kada kisik iz zraka doe na katodu gorivnog lanka, stvaraju se ista voda i toplina kao popratni produkti. Elektrolit koji inducira elektrokemijsku reakciju u gorivnom lanku moe biti sastavljen od tekueg ili vrstog medija. Pojedini lanci mogu se kombinirati u seriju ime se mijenjaju ukupni napon i struja. Prema elektrolitima razlikuju se i tipovi gorivnih lanaka.

Vrste gorivnih lanaka Alkalni gorivni lanci (AFC) najstariji su tip lanaka. Najee upotrebljavani elektrolit je kalij-hidroksid. Zamiljeni su u devetnaestom stoljeu i koriteni u amerikom svemirskom programu od ezdesetih godina prolog stoljea npr. za dobivanje elektrine energije i vode u svemirskom brodu Apollo. Vrlo su podloni zagaenju te stoga zahtijevaju isti vodik i kisik. Glavna prepreka komercijalnoj upotrebi ovih gorivnih lanaka je relativno velika potrebna koliina platine, kao katalizatora, to uzrokuje visoke trokove. Mogue je postii iskoristivost do 80%, ako se otpadna toplina koristi za zagrijavanje vode. Gorivni lanci na osnovi fosfatne kiseline (PAFC) smatraju se tehnologijom "prve generacije". Ovi lanci rade pri temperaturi od oko 200C i postiu d o 45%

TEHNIKE VIJESTI

goriva i maziva, 43, 4 : 331-336, 2004. 333

efikasnosti. Nema dovoljno topline za proizvodnju pare, ali se iskoristivost moe poveati iskoritenjem otpadne topline za zagrijavanje vode. Cijena ovih gorivnih lanaka je 2500 do 4000 $ po kW. Gorivni lanci s rastaljenim karbonatima kao elektrolitom (MCFC molten carbonate fuel cell) se nazivaju gorivnim lancima "druge generacije". Elektrolit je najee mjeavina Li2CO3 i K2CO3. MCFC tehnologija. Radne temperature ovih lanaka su oko 650C. Zbog visokih radnih temperatura imaju ve u efikasnost te postiu gotovo 60 % - tnu efikasnost. Potrebna je visoka radna temperatura da bi se postigla zadovoljavajua vodljivost elektrolita i iskoristivost naglo pada smanjenjem temperature. Ostali gorivni lanci koje rade pri visokim temperaturama, a jo se uvijek razvijaju su gorivni lanci s vrstim oksidima kao elektrolitom (SOFC -solid oxide fuel cell). SOFC radi na temperaturi od 1000 do 1100 C, ima sli nu efikasnost kao MCFC, a radi se i na njegovoj komercijalizaciji. Zbog visoke radne temperature nisu potrebni skupi katalizatori. Iskoristivost ovog tipa gorivnih lanaka je relativno loa zbog slabe vodljivosti elektrolita, no provode se istraivanja u cilju poveanja iskoristivosti procesa pretvorbe kemijske u elektrinu energiju u ovakvim gorivnim lancima. Ukupna iskoristivost se moe poveati iskoritenjem otpadne topline za proizvodnju pare. Predviaju se iskoristivosti preko 60 %. U pogledu proizvodnje u velikim serijama najdalje su odmakli gorivni lanci s polimernom membranom kao elektrolitom (Proton Exchange Membrane - PEM), koji svoju primjenu nalaze u automobilskoj industriji. Gorivni lanci s polimernom membranom kao elektrolitom (PEMFC) Intenzivno se radi na istraivanju minijaturnih gorivnih lanaka s polimernom membranom kao elektrolitom za mobilnu primjenu. Poseban tehniki problem bio je nainiti kruti elektrolit koji sadri pokretne vodikove ione - protone. To je uspjeno rijeila kanadska tvrtka Ballard Power System koja je ra tzv. gorivni lanak s polimernom membranom kao elektrolitom (proton-exchange membrane - PEM). Tanka membrana od polimera, zvanog nafion, koja u gorivnom lanku slui kao elektrolit ima mogunost proputanja kationa, a elektrone ne proputa. Napon jednog sklopa anoda-membrana-katoda je oko 0,7 V s gustoom struje od 0,5 do 1 A/cm2. Za dobivanje veih snaga spaja se vie sklopova anoda-membrana-katoda u serijsku vezu. Gorivo je vodik, a kao oksidans se moe koristiti isti kisik ili kisik iz zraka. Ova vrsta gorivnih lanaka nije osjetljiva na prisutnost CO2 u struji vodika, to omoguuje uporabu vodika dobivenog na mjestu uporabe iz metanola ili benzina, uz uklanjanje CO. Iskoristivost je do 60 %. Katalizator na elektrodama je platina. Prednosti gorivnih lanaka s polimernom membranom su niska radna temperatura koja omoguuje mobilnu upotrebu, u odnosu na druge gorivne lanke ima relativno veliku snagu po jedinici volumena i mogua je izvedba regenerativnog sustava s membranskim elektrolizerom koji upotrebljava istu tehnologiju.

TEHNIKE VIJESTI

334 goriva i maziva, 43, 4 : 331-336, 2004.

Nedostaci gorivnih lanaka s polimernom membranom se ogledaju u nedovoljnoj koliini topline za izdvajanje vodika iz metanola ili benzina, osjetljivosti na prisutnost CO i sumpora u struji vodika, a potrebno je ovlaivati struju vodika radi poveanja trajnosti membrane. Redefinicija vozila - na putu prema budunosti bez isputanja tetnih plinova Posljednjih godina napravljeno je vie prototipova vozila gorivnim lancima s polimernom membranom kao elektrolitom. Neki od proizvoaa su DaimlerChrysler, Toyota, Mazda, Renault, General Motors (Opel), Peugeot. Mnoge kompanije koje se bave istraivanjem i razvojem gorivnih lanaka razvijaju i sustave s gorivnim lancima s polimernom membranom kao elektrolitom za opskrbu zgrada elektrinom energijom, a jedan od takvih proizvoaa je i Vaillant. Od svih alternativnih izvora pogona, vozila s gorivnim lancima pruaju najbolju perspektivu, i mnogi ih smatraju pogonom za vozila 21. stoljea. Gorivni lanci su visoko uinkoviti, tihi, nemaju rotirajuih dijelova, pri radu ne stvaraju buku, niti zagauju okoli. Otpadni produkt procesa stvaranja energije je voda, pa se iz ispunog sustava jedino isputa voda. Premda u mnchenskoj zranoj luci svoju primjenu nalazi NECAR (New Electric Car - sada pod imenom F-Cell), temeljen na Mercedes-Benzovoj A klasi, zbog jo uvijek veih dimenzija spremnika, ova tehnologija za sada svoju stvarnu primjenu nalazi samo u autobusima za prijevoz putnika u gradskom prometu. Tako je DaimlerChrysler u svibnju 2003. isporuio Madridu prvih 30 gradskih autobusa. Ovakvi autobusi se danas nalaze i u Stuttgartu na redovnim gradskim linijama, a nekoliko ih ima i u Mannheimu. Glavna potekoa pri uporabi gorivnih lanaka u automobilima jest sigurno skladitenje vodika. Mogunosti pohranjivanja vodika u vozilu Iako se vodik moe komprimirati u spremniku, postoji bojazan da bi u sluaju neke nezgode moglo doi do eksplozije komprimiranog plina. Naime, jo je uvijek, barem u SAD-u, ivo kolektivno sjeanje na katastrofu njemakog cepelina Hindenburg iznad mjesta Lakehurst u dravi New Jersey, iako se dogodila daleke 1937. godine. Tada je u eksploziji vodika, koji je kao plin laki od zraka drao cepelin u zraku, poginulo 36 ljudi. Mogunosti pohranjivanja vodika u vozilu su razliite: - isti vodik (pohranjen kao komprimirani plin), - metanol (pohranjen kao tekuina) iz koje se dobiva vodik, - benzin (pohranjen kao tekuina s vrlo malim udjelom sumpora). Svaki nain pohranjivanja ima svojih prednosti, isti vodik ne zahtijeva uporabu reformera, no zahtijeva razvoj itave infrastrukture. U sluaju da se kao izvor vodika koristi recimo metanol ili benzin, mogue bi bilo koristiti postojeu mreu benzinskih

TEHNIKE VIJESTI

goriva i maziva, 43, 4 : 331-336, 2004. 335

postaja. Meutim u tom sluaju uglavnom je potrebno koristiti reformer, to zahtieva dodatni prostor u vozilu. Uz sigurnosne probleme, problem je i to to proizvoai automobila moraju relativno brzo donijeti strateku, ali poslovno iznimno rizinu odluku o tome koje e gorivno u neto daljoj budunosti zamijeniti benzin i naftu. Teko je pak oekivati da e to protei bez otpora naftnih kompanija koje se nee olako odrei profita, ali i geostratekog pa i politikog utjecaja kakav danas imaju. Moda je upravo to razlog to su automobilske industrije onih zemalja, koje nemaju niti jake naftne kompanije niti vlastita nalazita nafte, najvie napredovale u razvoju gorivnih lanaka.

U posljednjih nekoliko godina japanska Toyota i njemaki DaimlerChrysler su ve predstavili svoja pokazna vozila na gorivne lanke. Toyota je rijeila problem uskladitenja vodika tako to je vodik "uskladitila" u obliku hidrida. No, da i DaimlerChrysler misli dugorono i ozbiljno svjedoi njegova suradnja s tvrtkom Ballard, u koju je uloio sumu od 450 milijuna dolara, postavi tako vlasnikom 25 postotaka cijele tvrtke. Naime, kako se za Ballardovu tehnologiju interesiraju i drugi, poimence General Motors, Honda, Nissan, Volkswagen i Volvo, DaimlerChrysler ih je uinkovito preduhitrio. Toyota i DaimlerChrysler takoer istrauju i tehniku proizvodnje vodika razgradnjom metanola.

TEHNIKE VIJESTI

336 goriva i maziva, 43, 4 : 331-336, 2004.

Tekuine za rashladne sustave gorivnih lanaka Gledajui u budunost, vozila moda nee vie biti pogonjena konvencionalnim motorima s unutranjim izgaranjem na benzinska ili dizelska goriva, barem ne u tolikom broju kao danas. Broj vozila pogonjenih gorivnim lancima e po nekim predvianjima znaajno porasti, a mogue je da za takva vozila nee niti trebati tekua rashladna sredstva. Kakva je onda budunost, gledajui dugorono, industrije rashladnih tekuina postojeih tehnologija koje su namijenjene motorima s unutranjim izgaranjem? Budunost industrije rashladnih tekuina s antikorozijskim djelovanjem, popularno zvanih antifrizom, zasigurno je odreena zahtjevima zatite okolia. Gotovo svi proizvoai diljem svijeta danas rade na tehnologiji gorivnih lanaka i pokuavaju stvoriti vozilo koje e koristiti vodik bilo u tekuem ili plinovitom obliku. Sve je vie sajmova automobila u svijetu koji pokazuju razliite izvedbe vozila. Od najmodernijih konstrukcija motora s unutranjim izgaranjem do vozila s hibridnim pogonom koja kombiniraju klasinu izvedbu motora s unutranjim izgaranjem zajedno s elektrinim pogonom. Meutim, pravi put ide zasigurno u smjeru razvoja tehnologije gorivnih lanaka i njihove primjene. Mnogi proizvoai rashladnih tekuina rade zajedno s proizvoaima vozila na razvoju tekuina za rashladne sustave vozila s gorivnim lancima. Bez obzira to se ne koristi motor s unutranjim izgaranjem, postoje komponente koje je neophodno hladiti. No, zahtjevi za kvalitetom ovih tekuina su znaajno drukiji od onih za rashladne sustave konvencionalnih motora. Zbog sigurnosnih razloga osnovni zahtjev je da tekuine za rashladne sustave gorivnih lanaka ne smiju provoditi struju. Tekuine smiju imati najveu doputenu vodljivost od 50 S/cm. Ovaj zahtjev ispunjava i demineralizirana voda, meutim kao i konvencionalne rashladne tekuine moraju zadovoljiti i ostale zahtjeve poput, recimo, zahtjeva za zatitom od smrzavanja, korozije i sl. Primjerice njemaki koncern BASF AG, aktivno radi s DaimlerChryslerom iz Stuttgarta na razvoju rashladnih tekuina za primjenu u vozilima s gorivnim lancima. BASF svoju tehnologiju temelji na tekuinama na osnovi alkilen glikola (ili derivata) sa sadrajem peterolanih heterociklikih spojeva (odreenih derivata azola) koji imaju dva ili tri atoma duika, ali najvie jedan atom sumpora, te aromatski ili zasieni esterolani anilinski prsten. Mercedesovi autobusi s gorivnim lancima koji su u pogonu u Stuttgartu i u Mannheimu, koriste BASF-ovu tehnologiju rashladnih tekuina. Premda postoji velika propaganda oko uporabe gorivnih lanaka u osobnim vozilima (NECAR), BASF smatra da iroka praktina primjena osobnih vozila s gorivnim lancima jo uvijek nije mogua.

Priredio Bruno Novina