Brenselceller er høyaktuelle energikilder for bruk til bl.a. hydrogenelektriske biler, men hva er egentlig en brenselcelle og hvordan virker den? Er det bare fordeler eller finnes det ulemper også, og hvorfor er ikke slike brenselceller i utstrakt bruk allerede.
Beskrivelse
En brenselcelle, eller fuel cell som det heter på engelsk, er en elektrokjemisk enhet som på en av flere måter omformer hydrogen og oksygen til vann, elektrisitet (likestrøm) og varme. Vi sier gjerne at det foregår en stille forbrenning av hydrogen. Avfallsproduktet ved forbrenning av hydrogen er rent vann, og det er dette som i utgangspunktet gjør brenselceller så miljøvennlige og populære. Den elektriske energien i form av likestrøm, kan brukes til f.eks. å drive en elektromotor eller andre elektriske apparater.
De første brenselceller ble bygd og testet for over 150 år siden, men ulike problemer har gjort at brenselceller ennå ikke kan sies å være mye utbredt, i alle fall ikke i biler. Det største bruksområdet så langt har vært romfartøyer, der man også bruker avfallsvannet til drikkevann. Nå er det aktuelt å vurdere brenselceller i forbindelse med (hydro-)elektriske biler og busser som alternativ til store, tunge batterier.
Ulike typer
Prinsipiell virkemåte for PEMFC brenselcelle. Kilde: FuelCellToday
Felles for alle brenselceller er at de har to elektroder – en anode og en katode – en elektrolytt, gjerne i form av en membran; og en eller annen form for katalysatorer for å øke hastigheten på de kjemiske prosessene. Egenskapene til brenselcellen avhenger av eletrodemateriale, elektrolytt og katalysator. Inn mater man hydrogen – og oksygen dersom dette ikke tas direkte ut av den omgivende luften, og ut får man en elektrisk strøm fra anoden til katoden, vann fra den kjemiske reaksjonen mellom hydrogen og oksygen, og varme.
Det finnes flere ulike typer brenselceller, delt inn etter den elektrokjemiske prosessen som benyttes, type elektrolytt og katalysator. En av de mest populære og lovende er Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC, eller (“protonutveksler-membran” på litt krøkkete norsk), som er aktuell til bruk i elektriske biler eller busser. Denne har fått navnet sitt fordi den har en membran som kun slipper gjennom protoner, som er det samme som H+-ioner. På anodesiden mater man inn hydrogen, og på katodesiden brukes oksygen trukket ut fra omkringliggende luft.
Cellen består av elektroder (anode og katode) av karbon med platina som katalysator, adskilt med en membran som stopper elektroner men slipper gjennom positive hydrogenioner. En slik brenselcelle har en arbeidstemperatur på om lag 80°C og en energitetthet nok til praktisk å kunne drive en bil uten å fylle hele bagasjerommet.
Virkemåte
De kjemiske reaksjonene består av mange delreaksjoner og er ganske kompliserte, men svært forenklet fremstilt kan de beskrives som:
| Delreaksjon på anodesiden | 2H2 gir 4H+ + 4e- | Hydrogen mates inn på anodesiden under trykk, og hydrogenmolekylene presses gjennom katalysatoren og spaltes i to positive hydrogenioner (protoner) og to elektroner. Elektronene kan ikke passere gjennom membranen og må derfor gå den andre veien, nemlig fra anode gjennom den elektriske kretsen og til katoden, og dermed får vi en elektrisk strøm. |
| Delreaksjon på katodesiden | O2 + 4H+ + 4e- gir 2H2O | Oksygenmolekylet brytes ned til 2 oksygenatomer av katalysatoren. Disse to atomene reagerer med hydrogenionene (protonene) som kommer gjennom membranen og elektronene som kommer gjennom den elektriske kretsen, og danner vannmolekyler. |
| Nettoreaksjonen | 2H2 + O2 gir 2H2O | Hydrogengass under trykk reagerer med oksygengass og danner vann. Samtidig er det avgitt en elektrisk strøm (utvendig) mellom anode og katode. |
Praktiske løsninger
En enkelt brenselcelle av PEMFC-typen avgir en spenning på 0,7 Vdc og man må derfor kople mange slike celler i serie for å få en arbeidsspenning høy nok til å drive en elektromotor.
Fordelen med en PEMFC er at den ikke bruker korrosive elektrolytter, den er relativt enkel å produsere og den har relativt lav arbeidstemperatur.
Ulempene med denne type brenselceller er at membranmaterialet og katalysator er relativt kostbart og at katalysatoren er følsom for CO, dvs. at drivstoffet (hydrogengassen) må være fritt for CO for ikke å redusere effektiviteten. Hvis utgangspunktet er naturgass må denne reformeres (renses) for å hente ut hydrogenet på forhånd.
Andre typer brenselceller
Det finnes flere ulike typer brenselceller, men disse er enten svært kostbare å produsere, de krever rent hydrogen og oksygen, de inneholder elektrolytt med korrosive og forurensende stoffer, de avgir klimagasser eller de har svært høy arbeidstemperatur. Ett eksempel er celler av typen AFC (Alkaline Fuel Cells) som har vært brukt i utstrakt grad i romfartøyer de siste tiårene. Disse cellene inneholder flere ulike edelmetaller som gjør dem kostbare i produksjon og de krever svært rent hydrogen og oksygen for å være effektive og ikke avgi klimagasser. For de fleste andre brenselcelletyper er det høy arbeidstemperatur som gjør dem uenget for bruk i biler og busser.
Tilgang på drivstoff
Det kanskje største problemet med brenselceller, og som gjør at de ikke allerede er i omfattende bruk, er tilgangen på drivstoff i form av rent hydrogen. Oksygen kan i de fleste tilfeller trekkes ut direkte fra omgivende luft, mens hydrogen må produseres, lagres og distribueres til brukerne, og det er denne såkalte hydrogeninfrastrukturen som ennå ikke er på plass.
Hydrogen kan produseres fra f.eks. naturgass, propan, bensin, etanol eller metanol. Produksjonsprosessene er enten langt fra gode, eller svært kostbare, og problemet er bl.a. at enkelte av disse prosessene i større eller mindre grad selv avgir klimagasser (bl.a. CO og CO2), eller at ikke-optimalt drivstoff (“urent” hydrogen) gjør at brenselcellen selv avgir klimagasser, og da blir ofte den totale miljøgevinsten redusert.
De mest aktuelle hydrogenkildene i våre dager er metanol (CH3OH) eller naturgass (først og fremst metan, CH4) men disse er ikke ideelle da de også gir noe produksjon av klimagasser som CO og CO2 enten i produksjonsprosessen eller ved bruk i brenselcellene.
Et aktuelt alternativ er produksjon av hydrogen ved elektrolyse av vann, dvs. at vi bruker elektrisk energi til å spalte vannet i hydrogen og oksygen. Denne metoden brukes f.eks. til hydrogenbusser i Oslo.
Et annet problem er lagring og transport av hydrogen. I gassform har hydrogen liten energitetthet, og må derfor være tilgjengelig i flytende og/eller komprimert form, noe som krever svært lave temperaturer (-253°C) eller svært høyt trykk.
Dersom problemet med produksjon, lagring og transport av hydrogen løses vil man være langt på vei mot en omfattende bruk av elektriske biler og busser drevet av brenselceller. Det er allikevel grunn til optimisme, det brukes store ressurser til forskning og utvikling av slik teknologi i dag, og fremtiden vil helt sikkert være sterkt preget av elektriske biler og busser basert på brenselcelleteknologi
Anbefalt lesestoff
http://www.fuelcelltoday.com/technologies