Toyota Mirai FCV i Hamburg. (Foto: www.sebastienmauroy.com)

BRENSELCELLER

Så store framskritt har Toyota gjort med sin hydrogenteknologi

Vi sammenligner brenselcellene fra 2015 og 2008.

Elbiler og hydrogenbiler. Vi skal bare sju-åtte år tilbake, så var begge nisjeteknologier.

Det begrepet kan ikke lenger brukes om førstnevnte, iallfall ikke i Norge.

Men slik det er gjort store teknologiske framskritt på litiumionebatterier de siste årene, har heller ikke brenselcelleteknologien stått stille.

Store forskjeller

Det er tydelig når man ser litt nøyere på brenselcellesystemet som Toyota produserer i dag og sammenligner det med forrige generasjon system som kom i 2008.

Toyota har nettopp startet leveranser til Europa av Mirai, sin første serieproduserte brenselcellebil («fuel cell vehicle», FCV).

Daimler, Honda og Hyundai har produsert denne typen hydrogenbiler i begrensede serier, men siden produksjonsoppstarten i desember 2014 er Mirai allerede i ferd med å bli den mest solgte FCV-en

Samtidig skal det nevnes at antallet fremdeles er beskjedent.

Det kommende året skal det kun leveres 50-100 hydrogenelektriske Toyota-er i Europa, noe som tilsvarer omtrent det samme antallet batterielektriske biler som i gjennomsnitt registreres i Norge hver dag dette året.

Trosser virkningsgraden: Trosser virkningsgraden: Derfor produserer japanerne hydrogenbiler

Mer enn dobbel effekttetthet

Toyota har jobbet med brenselceller for biler siden 1992. Forrige generasjon kom altså for sju år siden, satt under panseret på en suv, hadde et volum på 64 liter, veide 108 kg og leverte 90 kW.

Den nye Mirai-brenselcella er plassert under gulvet på framsetene, er 37 liter, 56 kg og yter maksimalt 114 kW.

Den volumetriske effekttettheten har altså økt med 2,2 ganger, fra 1,4 til 3,1 kilowatt per liter (kW/l). Den gravimetriske effekttettheten har økt 2,5 ganger fra 0,8 til 2,0 kW/kg.

Samtidig har prisen gått ned en faktor 20 på 12 år. Sammenlignet med prototypen fra 2002, altså to generasjoner tilbake, anslår Toyota at kostnadsreduksjonen på brenselcelle og hydrogentanker ligger på 95 prosent.

Les også: Her kommer de nye hydrogenstasjonene

På Toyota Mirai er elmotor og PCU plassert under panseret, brenselcellesystemet under forsetene, mens to 700 bar hydrogentanker og nikkelmetallhydrid-bufferbatteri er plassert lengst bak.
På Toyota Mirai er elmotor og PCU plassert under panseret, brenselcellesystemet under forsetene, mens to 700 bar hydrogentanker og nikkelmetallhydrid-bufferbatteri er plassert lengst bak. Toyota

Fortsatt mye å gå på

Tidligere denne måneden prøvekjørte vi en Mirai i Hamburg og fikk samtidig en kjapp gjennomgang av de teknologiske framskrittene som er gjort siden 2008.

Et av budskapene fra Toyota er imidlertid at de fortsatt har mye å gå på i utviklingen: Både når det gjelder å gjøre brenselcellesystemet mer kompakt og ikke minst drive prisen ned.

Teknisk Ukeblad har fått Steffen Møller-Holst og Anders Ødegård i Sintef til å gi sine vurderinger av Toyota-teknologien som nå er i serieproduksjon.

Begge har doktorgrad på PEM-brenselceller («proton exchange membrane»).

Møller-Holst er markedsdirektør, har ansvar for Sintefs forskning og utvikling og betydelige prosjektportefølje innen hydrogenteknologi, mens Ødegård blant annet leder et stort EU-prosjekt med fokus på å redusere kostnader for celleplater for PEM-brenselceller.

Les også: Her bygger de verdens raskeste bil

Mer effektiv og robust med ny komponent

En av nyvinningene i Mirai-brenselcellesystemet er en DC/DC-omformer som øker spenningen til 650 volt, slik at det kun trengs én stabel med 370 celler i stedet for 400 celler fordelt på to stabler på 2008-systemet.

Møller-Holst og Ødegård sier at det er minst to grunner til å installere denne såkalte «boost converter-en»:

1. Høyere effektivitet: Det beste for elmotoren er at spenningen er høyest mulig, for da blir strømmen og dermed de ohmske tapene lavere. Man ser dette ut fra formelen for effekt, P=UI, altså desto høyere spenningen (U) er, desto mindre kan strømmen være (for en gitt effekt).

2. Mer robust med færre celler i stabelen: Spenningen fra stabelen var tidligere 250 volt og det ble benyttet 400 celler. For en elmotor som vil ha 650 volt, ville man behøvd over 900 celler uten omformeren.

Med omformeren er det altså mulig å redusere antall celler i stabelen til 370. Cellene i stabelen ligger etter hverandre (er seriekoblet) som batterier i en stavlykt. Sannsynligheten for at en celle bryter sammen er minimal, men tross alt til stede.

Hvis én celle faller ut, blir det problemer med hele stabelen. Altså er en stabel med færre celler mer robust og kan forventes å gi totalt lengre levetid enn en stabel med flere celler. 

I tillegg kan Mirai på denne måten benytte samme styringsenhet («power control unit», PCU), elmotor og batteri som bilkonsernets øvrige hybrider, i motsetning til 2008-prototypen som hadde skreddersydd kraftelektronikk.

Les også: Audi lager diesel av CO2 og vann til 8 kroner literen

Plasseringen av de forskjellige komponentene på Toyota Mirai sett ovenfra.
Plasseringen av de forskjellige komponentene på Toyota Mirai sett ovenfra. Toyota

Fra stål til titan

Et område hvor Toyota kniper inn nesten 30 kg er på selve cellene. Hver av de 400 cellene på 2008-versjonen veide 166 gram og var laget i stål, sannsynligvis med mye gull utenpå. I Mirai veier hver celle 102 gram og er laget i titan.

De norske ekspertene peker på at titan er sterkt og svært korrosjonsbestandig. Samtidig viser resultater fra Sintefs EU-prosjekt på celleplater at det er fullt mulig å oppnå god nok levetid for brenselceller med stålplater som beskyttes med et belegg.

De antyder at dette kan være et typisk Toyota-grep der de vil være på den sikre siden med titan. Litt som at de fortsatt bruker nikkelhydridbatterier som bufferbatteri fordi de mener dette totalt sett gir en mer robust løsning.

Les også: For to år siden kostet denne 1,2 millioner kroner ny. Nå selges den for under halvparten.

Kostbare materialer

Ifølge Bart Biebuyck, ansvarlig for Toyotas testing av brenselceller i Europa, bruker de kun en tredel av mengden platina i Mirai i forhold til 2008-versjonen.

Reduksjonen er «noen titalls gram», samtidig som at han understreket at det fortsatt gjenstår mye arbeid for ytterligere å redusere mengden platina og andre sjeldne metaller.

Brenselcella trenger mye luft (oksygen), derav de voldsomme luftinntakene på Toyota Mirai.
Reduksjonen er «noen titalls gram», samtidig som at han understreket at det fortsatt gjenstår mye arbeid for ytterligere å redusere mengden platina og andre sjeldne metaller.De relativt voldsomme luftinntakene på Toyota Mirai skyldes behovet for kjøling. Lav driftstemperatur (70-80 grader celsius for brenselcellen) gjør at radiatoren må være større enn på en vanlig bil. Per Erlien Dalløkken

Platina brukes som katalysator i brenselcellenes elektroder, der hvor omvandling av hydrogen og oksygen til vann og elektrisk strøm skjer.

Overflaten på platina-partiklene er slik at hydrogenmolekylene spaltes til atomer og avgir elektroner (på anoden).

Motsvarende skjer for oksygen på katoden, der to protoner (H+) som kommer gjennom membranen fra anodesiden slår seg sammen med ett oksygenatom og to elektroner (gjennom ytre krets fra anoden) og danner vann (H2O).

Det er de elektrokjemiske reaksjonene på elektrodene som gjør at man får generert strøm i cellene.

– På grunn av den høye kostnaden av platina, jobbes det med å redusere mengden så mye som mulig, men samtidig opprettholde ytelsen. I dagens forbrenningsmotorbiler benyttes også platina (eller andre edelmetaller) i avgass-katalysatoren. Målet er at mengden platina i en brenselcelle/hydrogenbil skal bli like lav som mengden som brukes i eksoskatalysatoren i dagens biler, forklarer våre norske eksperter.

Les også: VW-skandalen: De er utslippsjegerne ingen lurer

Finmaskede strømningskanaler

Ifølge Toyota har de oppnådd bedre ytelse på de nye cellene takket være utformingen med et finmasket kanalnettverk som optimaliserer luftstrømmene.

På de nye brenselcellene (t.v) har Toyota optimalisert luftstrømmene.
Ifølge Toyota har de oppnådd bedre ytelse på de nye cellene takket være utformingen med et finmasket kanalnettverk som optimaliserer luftstrømmene.På de nye brenselcellene (t.v) har Toyota optimalisert luftstrømmene. Toyota

Møller-Holst og Ødegård forklarer at samtidig som strøm blir produsert av brenselcellen, dannes det vann på luftsiden (katoden) som kan hindre tilgangen på oksygen til katalysatoren (platina).

Dersom tilstrømningen av oksygen til katalysatoren ikke skjer raskt nok, blir ytelsen av brenselcellen begrenset av dette.

Konvensjonelle strukturer benytter relative enkle strømningskanaler der luft og vann strømmer i de samme kanalene. Toyota har nå gitt platene en spesiell utforming som gir mer turbulent strømning av luft og en «dryppnese» som bidrar til bedre fjerning av det produserte vannet.

Les også: Porsches første elbil kan få 400 km rekkevidde på 15 minutter lading

Kaldstart

Optimalisering av luftstrømmene bidrar også til bedre kaldstartegenskap. For det er jo slik at kuldegrader og hydrogendrevne biler i utgangspunktet ikke akkurat er bestevenner.

Mirai har vært gjennom omfattende vintertesting i Alaska, Canada, Finland og Nord-Japan.

Toyota FCV-prototypen er blitt testet i Nord-Amerika et drøyt år. Vesentlig for norske kunder er at hydrogenbilen har lagt bak seg mange mil i minus 30 grader i Yellowknife nord i Canada.
Mirai har vært gjennom omfattende vintertesting i Alaska, Canada, Finland og Nord-Japan. Mirai-prototypen på vintertesting i Canada i 2013. Toyota

Ifølge Toyota har Mirai blitt parkert utendørs i 17 timer i temperaturer ned til -30°C og likevel oppnådd hundre prosent effekt fra brenselcella 70 sekunder etter oppstart.

De benytter seg av flere metoder, forteller Møller-Holst og Ødegård. Punkt én: Når det er forventet minusgrader, blåses vann i cellene ut under nedstengning slik at det er lite vann igjen i systemet.

Problemet ligger i at vannet som produseres når cellen startes opp kan fryse og blokkere strømningskanalene. For å få en raskest mulig temperaturstigning i stabelen under oppstart, må varmekapasiteten til stabelen være lav.

Desto mindre stabelen er, desto mindre energi skal det til for å varme denne opp til temperaturer over frysepunktet. Og desto raskere går det.

Toyota Mirai har kapasitet til i underkant av 5 kg hydrogen som skal holde til 550 kilometer kjøring. Da har det samtidig blitt dannet cirka sju liter vann.
Desto mindre stabelen er, desto mindre energi skal det til for å varme denne opp til temperaturer over frysepunktet. Og desto raskere går det.Toyota Mirai har kapasitet til i underkant av 5 kg hydrogen som skal holde til 550 kilometer kjøring. Da har det samtidig blitt dannet cirka 45 liter vann. Toyota

Økt effekttetthet (kW/l og kW/kg) gjør det dermed enklere å unngå utfrysing av vann under oppstart. Det nye kanal-designet bidrar også til at vann som eventuelt fryser ikke i samme grad blokkerer for oksygen. Eliminering av fukteenheten er også et viktig bidrag til rask oppstart fra minusgrader.

Les også: Audis nye el-SUV får 500 km rekkevidde

Fjernet fukteenhet

Å kaste ut den over nevnte fukteenheten (såkalt «humidifier») er nemlig også et solid bidrag til å redusere volum og vekt på brenselcellesystemet, nærmere bestemt 15 l og 13 kg.

Membranen i brenselcellen må ha et visst fuktenivå for å kunne lede hydrogenionene (protonene) fra anoden til katoden. Hvis membranen tørker ut, har brenselcellen svært dårlig ytelse.

Brenselcelleekspertene forteller at 2008-modellen og de aller fleste brenselcellesystemer tidligere ble levert med eksterne fukteenheter for å sikre tilstrekkelig fuktighet av inngående gasser spesielt på anoden.

Dette fordi protonene bærer med seg vann når de strømmer gjennom membranen fra anoden til katoden.

Brenselcellen produserer mye vann selv, mer enn det membranen trenger. Ved bruk av nye materialer og nytt celledesign samt styringssystem, klarer Toyota å holde fuktnivået optimalt under drift uten behov for et eksternt fuktesystem.

Møller-Holst og Ødegård antar at produsenten gjør dette ved å holde driftstrykket litt høyere på katodesiden enn på anodesiden. Med nye, tynnere membraner presses vannet tilbake til anoden på grunn av trykkforskjellen, og det gjør fukteenheten overflødig.

Selv om de har henholdsvis 25 og 15 års erfaring med teknologiutvikling på PEM-brenselceller understreker de to at de i likhet med de fleste andre naturligvis har begrenset innsikt i detaljene i det Toyota gjør og har gjort innen brenselceller.

Derfor er det antagelser som ligger til grunn for noen utsagn også i deres ekspertuttalelser i denne artikkelen.

Les også: Bør du vente med å kjøpe elbil nå?

Ny generasjon om fem år

Toyota innrømmer at det trolig vil ta minst 10-20 år før det generelt finnes hydrogeninfrastruktur utbredt nok til at FCV-er blir noe mer enn en nisjeteknologi.

Samtidig varsler selskapet at de jobber for fullt med neste generasjon brenselcelle som skal være klar rundt 2020. Den skal sitte i en ny familie hydrogenkjøretøy som etter planen skal produseres i langt større volum enn dagens modell, Mirai.

Mirai vil trolig ende på rundt ti tusen produserte eksemplarer, har modellens sjefingeniør Yoshikazu Tanaka fortalt til Teknisk Ukeblad.

Hva slags forbedringer i ytelse, vekt og volum er det realistisk at selskapet klarer å få til i løpet av fem år? Sintefs eksperter svarer:

– Det jobbes kontinuerlig med forbedringer på en rekke områder. Dette gjelder ikke bare ytelse og effekttetthet, men også kostnader. Fellesnevnere for FoU-aktiviteten på brenselceller for biler er utvikling av nye, mer stabile materialer som gir lengre levetid og lavere kostnad, vekt og volum. Per nå er det flere produsenter av brenselceller som har vist tilsvarende effekttetthet som Toyota. Nissan er en av disse og har som mål å doble den. Det er ingenting som tyder på at de ikke skal komme dit, men hvor raskt dette kan realiseres er usikkert. Og man kommer naturligvis til et punkt der den interne varmeproduksjonen i brenselcellestabelen blir så høy at man må inn med mer effektive kjølesystemer, skriver Møller-Holst og Ødegård i sin oppsummering.