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
Gewijzigd: 2006.04.29;
logistics@3mE.tudelft.nl
, TU Delft
/ 3mE
/ TT
/ LT.