En elbil, der kører på brint - men hvordan?

Af Per Praëm - Dansk Elbil Komité (1. oktober 2008)

Normalt bruger man et batteri til at levere strøm til elmotoren i en elbil. Batterier findes i to grundtyper: engangsbatterier og de som kan lades op igen. I et engangsbatteri kommer strømmen fra et "brændstof" som er kemisk lagret inde i den enkelte celle. Når kemien er gået fra tilstand A til B, så er batteriet fladt og kan ikke mere.

Men hvad med et batteri, hvor man kunne fylde nyt brændstof på? Et sådan findes faktisk, der går under navnet - en brændselscelle. En brændselscelle er en form for "evighedsbatteri", som bliver ved med at levere strøm, så længe vi tilfører nyt kemisk brændstof.

Brint cellen
En af de kendteste brændselscelletyper er brint cellen, hvor ilt og brint tilføres en såkaldt PEM celle. PEM står for Polymer Electrolyte Membrane. En PEM-Celle arbejder ved 80-90°C og består af en anode, en katode og en elektrolyt. I PEM-celler diffunderer positivt ladede brintkerner fra gaselektroden gennem elektrolytten, hvorpå de forenes med ilt i luftelektroden og danner vand. Processen frigiver elektroner, og 40-50 procent af energien i brinten omsættes til strøm, resten til varme. De enkelte celler, der kan opnå en cellespænding på ca. 1 volt, stables serieforbundne i stakke. Herved kan opnås spændinger, som er hensigtsmæssige at arbejde med til de fleste formål.

Brint
Brint (H2) forekommer ikke naturligt, men skal fremstilles på grundlag af en energiressource, der er brint ikke en energikilde i sig selv, men en såkaldt energibærer. Brintmolekylet er det mindste af alle, hvilket stiller store krav til de materialer, der anvendes til beholdere, rør, tætninger mv. Man har dog lang erfaring med håndtering af brint, især til industrielle anvendelser og i rumfarts-industrien. Lagring af brint er forbundet med det problem, at brint fylder og vejer meget sammenlignet med fossile brændsler, derfor presses det ofte sammen under ekstrem højt tryk (300-700) for at kunne opbevares i en tryktank i bilen.

Den brintdrevne Elbil
Figuren herunder viser en brintbil hvor toppen er blevet fjerne, således de enkelte grundelementer bliver synlige.

Mellem baghjulene ligger de to store (sorte) tryktanke, som indeholder brinten. I vognbunden i midten ligger brændselscellestakken som omdanner brint og ilt til strøm. Ilten hentes ud af den atmosfæriske luft, den er dog først blevet kørt igennem et luftfilter, som sidder over venstre forhjul. For at suge luften ind, sider der efter filtret en lille elektrisk blæser (kompressor), som blæser mere eller mindre luft ind i brændselscellen - afhængigt af hvor meget strøm der skal produceres. Brinten er jo under højt tryk, så den behøver ingen hjælp til at blive blæst ind i brændselscellen.

Styring af luftblæseren og den ventil, som lukker op og i for brinten sker vha. det såkaldte "Fuel Processing System" - en computer som tolker førerens ønsker fra speederens position og regulerer strøm produktionen, således der altid er den nødvendige elektriske energi tilstede til at drive de tre elmotorer, som denne bil er udstyret med.

Ved siden af Fuel-processoren ligger en energi-kondensator (Energy Capacistor), som har til formål at optage bilens bevægelsesenergi under bremsning for senere genbrug under den næste acceleration. Et system som også nogen gange kaldes regenerativ bremsning, idet man under opbremsning bruger elmotorerne som generatorer og lader kondensatoren op med den frembragte energi.

Den viste bil adskiller sig fra de mere gængse brintbiler ved at være udstyret med hele tre elmotorer.

Mellem de to forhjul ligger en større elmotor, som via et differentiale driver begge forhjul. Denne motor har sin egen hastighedsstyring (frekvensomformer) - metal boksen lige til højre for luftfilteret.

Baghjulene er udstyret med hver sin elmotor, som driver baghjulet direkte. Hver af disse to motorer har også hver sin hastighedsstyring (anbragt mellem de to sorte tryktanke).

Endelige er der allerforrest et kølerelement, som vha. en elektrisk blæser (og fartvinden) sørger for at køle brændselscellen - for vi skal jo huske at den genererer lige så meget termisk energi, som den laver elektrisk energi.

Fordele ved den elektriske brintbil
Sammenlignet med en batteridrevet elbil er der umiddelbart to store fordele ved brintbilen. For det første tager det ikke 8 timer at fylde tanken op, som det gør, når batterierne skal lades op. En frisk tankfuld brint kan overføres til bilen på en brinttankstation på få minutter, og så er man klar til at køre de næste 300-400 km.

Den anden fordel udspringer fra den store mængde spildvarme, som brændselscellen genererer, idet det ikke skulle være nødvendigt med andet udstyr, til at varme kabinen op om vinteren.

Ulemper ved brintbilen
Den største ulempe er systems ringe virkningsgrad, sammenlignet med den batteridrevne elbil, skal der omkring fire gange så meget strøm til for at køre den samme strækning. Brint er som sagt ikke en energikilde, men kan udvindes af f.eks. vand ved elektrolyse. Når der regnes på alle processens trin fra strøm+vand -> brint og tilbage til strøm igen inkl. komprimering , så vil mere en 4/5 af den oprindelige energi gå tabt i form af varme, inden de sidste 20% strøm når frem til elmotoren og kan gøre nytte her.

Brint brændselsceller er også dyre at fremstille og er skrøbelige. Der forskes meget i hvordan man kan producere billige brændselsceller, der er robuste nok til at overleve de stød og vibrationer som kan forekomme i biler

Temperaturer under frysepunktet er et stort problem for anvendelsen af brændselsceller. Brændselsceller vil under drift danne dampformige vandmolekyler, der kan størkne (fryse til is), hvis brændselscellen og indholdet ikke holdes over 0 grader Celsius. De fleste brændselscelledesign er endnu ikke robuste nok til at overleve en sådan tur ned under frysepunktet. Er en celle først "frosset fast", især inden opstarten, vil cellen simpelt hen ikke være i stand til at påbegynde sit arbejde.

Når først brændselscellen er oppe at køre, så er varme jo et biprodukt af brændselscelleprocessen, og det vil holde brændselscelle på en passende operationel temperatur således alt kan fungere korrekt. Dette gør start af brændselscelle et stort problem i koldt vejr.

Ligesom på de tidlige benzinbiler, hvor man kæmpede med karburator problemer, så er man også nødt til at finde en løsning til at komme ud over start-og de langsigtede pålideligheds problemer