ontwikkeling van waterstof brandstofcel

nieuw vloeistof koelsysteem bespaart 20% energie

Niek Goselink is waterstof brandstofcel engineer voor het Eco-Runner Team van de TU Delft. Het is zijn verantwoordelijkheid om de brandstofcel in de Eco-Runner 9 op een efficiënte en veilige manier te laten werken. Met de Eco-runner 9 doet het team een gooi naar de overwinning in de Shell Eco-marathon: een wedstrijd om het meest zuinige waterstof aangedreven voertuig te maken. Op dit moment haalt men zo’n 9000km op 1kg brandstof. Teesing denkt mee in het ontwerp en levert componenten. Aangezien de enige emissie van een brandstofcelsysteem vloeibaar water is, staat een waterstofbrandstofcel bekend als een nul-emissie stroomvoorzieningssysteem.

Niek Goselink

“We zijn erg dankbaar voor de samenwerking met Teesing, samen hebben we gewerkt aan een super efficiënt brandstofcelsysteem in een echt efficiënt waterstofvoertuig! Met dit systeem denken we de eerste plaats in de Shell Eco-marathon terug te kunnen brengen naar Delft.”

de uitdaging van het eco-runner team

“Als Eco-Runner Team Delft geloven we in het idee van waterstof als energiedrager en als vitale component in de energietransitie. Door de meest efficiënte waterstofauto te bouwen, hopen we de mogelijkheden van waterstof aan het grote publiek te laten zien en bewustzijn te creëren over dit onderwerp. Hoewel het bewustmaken van de mogelijkheden van waterstof een van onze belangrijkste drijfveren is, richten we ons in 2019 vooral op het bouwen van een uiterst efficiënte auto.” Zoals eerder vermeld, is de brandstofcel een essentieel onderdeel in deze zoektocht naar een hoog rendement. De brandstofcel is het eerste onderdeel in de lijn dat verliezen creëert, bij de omzetting van chemische energie (ingesloten in de waterstof) in kinetische energie (versnelling van de auto). De brandstofcel heeft de mogelijkheid om het efficiëntiedoel te maken of te breken. Met een inefficiënte brandstofcel zullen de componenten die erop aansluiten niet in staat zijn om deze initiële verliezen terug te winnen. Het is daarom van het grootste belang om de werking van de brandstofcel zoveel mogelijk te optimaliseren. Om dit te doen, zijn er een paar gebieden waar men zich op kan concentreren. Ten eerste, is de omzetting van chemische energie in elektrische energie, een proces dat in de stack plaatsvindt. Door de grootte en de omstandigheden (temperatuur, druk en vochtigheid) in de stack te optimaliseren, kan deze transformatie efficiënter worden gemaakt, waardoor de verliezen worden beperkt.

DE WERKING VAN BRANDSTOFCELLEN

Het brandstofcelsysteem is het hart van de auto, want het produceert het vermogen dat de auto aandrijft. De basiswerking van een brandstofcelsysteem is heel eenvoudig, het is de omgekeerde reactie van elektrolyse. In een elektrolysereactie wordt water H2O gesplitst in waterstof H2 en zuurstof O2 door er een elektrische stroom door te voeren. Door deze reactie om te keren, waarbij waterstof en zuurstof worden gecombineerd, ontstaat een elektrische stroom. Dit is ook het basisproces dat plaatsvindt in ons brandstofcelsysteem. Zowel waterstof uit een kleine tank als zuurstof in de lucht wordt als reactiemiddel aan de brandstofcelstack toegevoegd. Om het werkingsprincipe van een brandstofcel verder te begrijpen, moeten we eerst de brandstofcelstapel zelf uit elkaar halen. De 'stack' is een serie cellen, waarin de reacties plaatsvinden. Zo'n cel bestaat uit twee elektroden (anode en kathode) gedeeld door een elektrolyt. Bij de anode wordt de waterstof gesplitst in twee afzonderlijke protonen, H+, waardoor elektronen en dus energie vrijkomen. Deze protonen zijn in staat om door te dringen in de elektrolyt, in ons geval een proton uitwisselingsmembraan, terwijl de elektronen een elektrisch circuit naar de kathodezijde volgen. Bij de kathode zullen de protonen die door het elektrolyt zijn doorgedrongen met de elektronen en zuurstof uit de lucht in het water reageren. De stroom van elektronen door een extern circuit van de anode naar de kathode produceert een elektrische stroom en kan gebruikt worden om een belasting aan te drijven, in ons geval een elektrische motor die de auto aandrijft.

Verbruiksbesparing van 20%

Daarnaast ligt er een kans in de aansturing van de brandstofcel. De Balance of Plant (BOP) is het hulpsysteem dat de stapel brandstofcellen in leven houdt. De energiebehoefte van dit subsysteem zo laag mogelijk maken verhoogt de efficiëntie. Het systeem levert de benodigde hoeveelheden reactanten (lucht en waterstof) aan de stack en bestaat uit een reeks pompen, kleppen en circulatiecircuits. De BOP wordt gevoed door de energie die in de stack wordt geproduceerd. Als we het vermogen dat nodig is voor het pompen kunnen verminderen, kan er meer vermogen worden geleverd aan de motor om de auto aan te drijven. Gelukkig zijn deze twee gebieden met elkaar verbonden; de BOP regelt onder andere het koelcircuit en de waterstofrecirculatie, die de temperatuur en de vochtigheid beïnvloedt. Het doel is dus om de bedrijfsomstandigheden te optimaliseren en tegelijkertijd de vermogensbehoefte van de componenten te verminderen. Niek: “Zoals bij elk uitdagend engineeringproject vereist dit een afweging in ons systeem om het benodigde vermogen te verminderen en de chemische reactiesnelheid te verhogen. Voor het ontwikkelen van de BOP werken we samen met Teesing, omdat ze gespecialiseerd zijn in het leveren van hoogwaardige buizen en connectoren en het ontwerpen van subsystemen.” Voor de Eco-runner 9 is ervoor gekozen om alle buizen en connectoren van het systeem te vernieuwen en de diameter van de buizen te vergroten. Dit vermindert op zijn beurt de tegendruk die door de circulatiecircuits wordt gecreëerd en verlaagt daarmee de energiebehoefte voor het pompen. De totale energiewinst in dit subsysteem is meer dan 20%.

nieuw vloeistof koelsysteem

"Het herontwerp van de BOP is ook een kans om het koelsysteem onder de loep te nemen. De koelinstallatie van de afgelopen jaren omvatte een warmtewisselaar met koelventilator, een zogenaamd actief koelsysteem. Omdat de ventilator veel stroom verbruikt, wilden ze er graag vanaf en ontworpen een meer passief koelsysteem, dat minder mechanische koelapparatuur gebruikt. Daarom hebben ze een thermische massa toegevoegd aan het systeem, die gescheiden is van de brandstofcel zelf. De thermische massa werd in het motorcompartiment geplaatst in de nabijheid van het achterwiel. Tijdens het rijden levert het draaien van het wiel een turbulente luchtstroom, die de thermische massa door convectie afkoelt. De koelvloeistof wordt door de brandstofcel gepompt en vervolgens door de thermische massa gepompt. De warmte die door de koelvloeistof uit de brandstofcel wordt onttrokken, komt vrij in het motorcompartiment, waarna de vloeistof terug naar de brandstofcelstapel wordt geleid. Niek: “Dit nieuwe ontwerp vereist double shut-off snelkoppelingen voor het aan- en afkoppelen van het koelcircuit van het brandstofcelsysteem. Dat verkort de installatietijd van het systeem. Het geeft ons ook de mogelijkheid de koelcapaciteit snel te verhogen, wanneer de race op een warme en zonnige dag wordt gehouden.”

Verbruik
Circa 9000 km op 1 kg waterstof

Brandstof
25g waterstof (250 km)

Gewicht
38 kg (exclusief bestuurder)

Topsnelheid
Circa 50 km/h

Meer informatie?

Meer informatie over onze producten of op zoek naar een oplossing op maat? Neem contact op met onze sales engineers.

NL: +31 70 413 07 00
CN: +86-(0)10-60576210
USA: +(1) 973 383 0691
TW: +886-(0)3-5600560

Of gebruik ons contact formulier

Heeft u al contact met een sales engineer? Neem rechtstreeks contact op:

Vind uw sales engineer