Nagy lehetőség rejlik az üzemanyagcella-gyártásban

A GM-Honda együttműködés 2013-ban indult, és egyre több autógyártó vásárol a Hydrotec névre keresztelt hidrogén-modulokból, különböző teljesítményadatokkal. Ezek között van a teherautógyártó Autocar és Navistar, valamint a nehéz bányászati és építőipari gépeket gyártó Komatsu. A Honda saját részre is gyárt majd kezdetben 2000 darab alacsonyabb teljesítményű egységet a 2024-es CR-V modelljéhez.

Charlie Freese, a GM ügyvezető igazgatója és veterán mérnöke elmondta, folyamatosan vadásznak a rátermett autóipari beszállítókra, akik be akarják hozni a know-how-jukat. Freese szerint sok átfedésnek kell lennie a hagyományos beszállítók és az újítók között. A jelenlegi, második generációs Hydrotec modulokat 50-50 arányban szállítják be tradicionális autóipari beszállítók és új, más iparágakból érkező szereplők. Utóbbiak közül egyesek az ipari filmrétegek, bevonatok világában mozognak, ezek a technológiák pedig nagyon fontosak a cellák polimerikus membránjainak előállításához.

A protoncsere-membrános cellákban (PEM), amilyen a Hydrotec is, a vékony membránok elektrolitként szolgálnak, amelyek átengedik a protonokat a katódhoz, miközben gátolják az elektronok átjutását.

Innováció és kihívások

A hagyományos beszállítók a turbófeltöltésből inspirálódtak – hiszen az üzemanyagcella működéséhez nagy nyomású levegő kell –, valamint a dízelmotorok kipufogógázainak utánkezelési rendszereiből merítettek ihletet. A GM és a Honda kifejlesztett egy autóipar által inspirált sajtolási eljárást a cellák bipoláris lapjainak nagy pontosságú és volumenű gyártásához. A módszer hasonló a belső égésű motorok hengerfejtömítéseinek készítéséhez.

A szénszálas kompozit adaptálása a nagy mennyiségben sorozatgyártott járművekbe folyamatos kihívást jelent az autógyártóknak, mivel magas a költsége és lassú a gyártási ciklusa, valamint Freese szerint kevés beszállító foglalkozik velük. Freese elmondta, egyes vállalatok már készítettek szénszálas autóipari alkatrészeket, de hajtásrendszerekkel idáig nem foglalkoztak. Az erős, tömeggyártásban is hatékony anyagok életbevágóak a Hydrotec rendszerekhez mind a fedélzeti hidrogéntartályok strukturális integritása, mind a cellamembránok funkcionalitása szempontjából.

A GM-nek alaposan ki kellett képeznie a beszállítóit. Egy szénszálas kompozitréteg része az elektródamembránnak, amely minden cellában megtalálható. A réteg összegabalyodó szálakból áll, amely megváltoztatja a víz és a gázok átáramlását a rendszeren.

A szeleptechnológiák és a hűtőközeg-menedzsment szintén kritikus fontosságú az üzemanyagcellás rendszerekben, és Freese szerint folyamatos innovációra van szükség. A Hydrotec-ben használt szelepek nagy mennyiségű vízzel találkoznak, de nem olyanok, mint egy hagyományos autó hűtőrendszerében. Nagy részük kifejezetten üzemanyagcellás felhasználáshoz készült, beépített biztonsági elemekkel, például feszültségmegszakítókkal. Freese elmondta, hidrogénnel és árammal van dolguk, ezért egy ütközés során gyorsan és biztonságosan meg kell szabadulni az energiától. A feszültségmegszakítók a légzsákoktól merítenek ötletet, de még ilyen célra nem voltak használva korábban.

Automatizálás és szimuláció a középpontban

Az üzemanyagcellás modulok a „régi technológiáknak” is adnak munkát, mint az alumíniumöntés. A GM ezen a területen is együtt fejleszt beszállítóival. Freese úgy látja, ahogyan az üzemanyagcellás meghajtások iránt mennyiségi igény alakul ki, a kisebb, specialista beszállítók rá lesznek szorítva a nagyobb darabszámok gyártására, esetleg belépnek a képbe a nagyobb szereplők.

A GM és a Honda mérnökei új gyártási technikákat és automatizálási megközelítéseket fejlesztettek ki, amelyek Freese szerint csökkentik az üzemanyagcellás technológia árát és javítják a termelékenységet. Például a bevonatolt membránok nagy bálákban érkeznek a 6500 négyzetméteres gyárba a Michigan-i Brownstownba. A báláról aztán hét méter/perc sebességgel tekerik le a filmet, amelyet mikronos pontossággal szkennerek ellenőriznek. Ha rendben van, méretre vágják, megformázzák, és tömítőanyagot visznek fel rá, majd egy magasan robotizált pakológépre kerülnek a membránok. A robotok ezután 10 másodperces ciklusokkal dolgozva beépítik az membránokat a Hydrotec cellákba.

Saját szoftverek segítik a hosszú munkát

A GM-Honda fejlesztőmérnökök egy helyen dolgoznak a gyártástervező mérnökökkel, és a kezük alá dolgozik egy szoftvermérnök csapat is. Freese elárulta, hogy egy komoly előny számukra, hogy nem osztják meg a szoftveres csoportjukat másokkal. A Hydrotec-et fejlesztő csapat ugyan használ pár készen kapott modellezőeszközt, az üzemanyagcellákhoz szükséges szimulációs programok és eszközök nagy részét ki kellett fejleszteniük. Freese megjegyezte, hogy a Hydrotec-be ölt 400 ezernél is több fejlesztési munkaóra több, mint amennyit valaha belső égésű technológia kifejlesztésére fordított bárki is – áll az SAE International írásában.