Bränslecell

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
Bränslecell (med som elektrolyt en keramisk oxid)

En bränslecell omvandlar kemisk energi från ett bränsle till elektricitet, detta genom en kemisk reaktion varvid bränslet oxideras vid anoden för att vid katoden reduceras.

Bränslecellen består av en elektrolyt (ämne som kan leda ström då det innehåller laddade joner) mellan två elektroder, den ena positivt laddad (katod), den andra negativt laddad (anod). Vanligt är att använda väte som förs till anod, och syre till katod. En katalysator splittrar väteatomerna till protoner och elektroner. Medan protonerna kan passera elektrolyten måste elektronerna gå via en yttre krets vilket ger elektrisk ström. Vid katoden bildar en annan katalysator ånga genom att syret, elektronerna och protonerna förenas.

Så länge bränslecellen har tillgång till syre och väte kan den producera elektricitet. Flera av dessa celler kopplas samman i stackar för att ge högre spänning som tillsammans med storleken på cellens area kan ge högre strömstyrka, alltså mer effekt än den enskilda cellen.

Då bränslet direkt omvandlas till elektricitet har bränslecellen en högre verkningsgrad, 70%, jämfört med förbränningsmotorns 20%, då förbränningsmotorn begränsas av carnotverkningsgraden. Om man även tar tillvara på den värme cellen avger kan verkningsgraden nå 90%. Den kemiska rektionen i bränslecellen sker enklare vid högre temperaturer och man kan då använda billigare ämnen, exempelvis nickel som katalysator, istället för platina.[1][2]

Historik[redigera | redigera wikitext]

Under 1800-talet betraktades bränsleceller mest som en vetenskaplig kuriositet, men med tiden har man satsat allt mer på forskning och utveckling av tekniken i takt med att man insett dess enorma potential som ren och långsiktigt hållbar energikälla. Den förste som konstruerade en fungerande bränslecell var engelsmannen William Robert Grove. Så tidigt som 1838 utvecklade han en förbättrad version av det så kallade våtcellsbatteriet, genom att använda sig av två elektroder av zink respektive platina nedsänkta i olika syror. Med hjälp av denna anordning kunde han generera en ström på 12 ampere vid 1.8 volts spänning. Grove fortsatte att utveckla tekniken och upptäckte 1839 att han genom att sänka ned ändarna av två elektroder av platina i en behållare med svavelsyra, och innesluta de andra ändarna var för sig i behållare med syre och väte kunde få en konstant ström att gå mellan elektroderna. De två slutna behållarna innehöll förutom gaserna även vatten, och Grove observerade att vattennivån i dem steg när strömmen gick mellan elektroderna. Han hade alltså lyckats producera elektricitet och vatten med hjälp av syre och väte. Genom att seriekoppla flera uppsättningar av elektroder skapade han ett så kallat gasbatteri - den allra första bränslecellen. Under de följande decennierna genomfördes ytterligare experiment, bl a av forskarna Ludwig Mond och Charles Langer, som 1889 försökte att konstruera en praktiskt användbar bränslecell. Mond och Langer var också de första att använda sig av benämningen bränslecell. Ett slags genombrott inom bränslecellsforskningen kom 1893 då tysken Friedrich Wilhelm Ostwald experimentellt lyckades klargöra betydelsen och funktionen av de olika komponenterna hos en bränslecell, såsom elektroder, elektrolyt, t ex i form av svavelsyra, samt anjoner och katjoner, dvs negativt respektive positivt laddade joner. Man hade tidigare bara vetat att bränslecellstekniken fungerade, men inte kunnat förklara hur det hela gick till. Tack vare Ostwald kunde man nu alltså beskriva processen på ett vetenskapligt sätt. Grove hade anat att hans gasbatteri hade fungerat tack vare kontakten mellan elektrod, gas och elektrolyt, men kunde inte ge någon närmare förklaring. Ostwald lyckades däremot med hjälp av sina experiment klargöra en betydande del av kemin bakom Groves gasbatteri, och hans arbete lade på många sätt grunden för senare bränslecellsforskning och ökade markant den teoretiska förståelsen av hur en bränslecell fungerar. Ostwald tilldelades för övrigt nobelpriset i kemi 1909.

Bränslecellstyper[redigera | redigera wikitext]

Bränsleceller namnges vanligen av den elektrolyt som används i bränslecellen
PAFC - Fosforsyrabränslecell (Phosphoric Acid Fuel Cell)
PEMFC - Polymerelektrolytbränslecell (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
MCFC - Smältkarbonatbränslecell (Molten Carbonate Fuel Cell)
SOFC - Fastoxidbränslecell (Solid Oxide Fuel Cell)
AFC - Alkalisk bränslecell (Alkaline Fuel Cell)
DMFC - Direktmetanolbränslecell (Vanligen av PEFC-typ).

Kemiska reaktioner[redigera | redigera wikitext]

Anodreaktion: \mathrm{2\ H_2 + 4\ H_2O \to 4\ H_3O^+ + 4\ e^-} (Oxidation och elektronavgivning)

Katodreaktion: \mathrm{O_2 + 4\ H_3O^+ + 4\ e^-  \to 6\ H_2O} (Reduktion och elektronupptagning)

Totalreaktion: \mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O} (Redoxreaktion)

En bränslecell kan ge en spänning på 0,7-1 Volt och effekt på 1 Watt per kvadratcentimeter. Således krävs att ett antal celler seriekopplas för önskad spänning. Ett antal seriekopplade celler tillsammans med ändplattor som mekaniskt håller cellerna samman kallas bränslecellstack.

Nackdelar[redigera | redigera wikitext]

  • Tekniken är dyr.
  • Tillverkning av t.ex. vätgas ur fossila bränslen som naturgas medföra negativ miljöpåverkan.
  • Distribution av vätgas.
  • Komplex styrning av t.ex. temperatur, bränsle- luft- och vattenflöden.
  • Frågetecken kring livslängd.[2]

Bränslecell som sensor[redigera | redigera wikitext]

Bränsleceller används som sensorer vid gasmätning. Till skillnad från det vanliga användningsområdet, när man vill utnyttja energin, mäts istället strömmen som genereras vid den kemiska reaktionen. Bränsleceller i mätsammanhang benämns vanligtvis elektrokemiska sensorer. För att mäta aktuell gas integreras strömmen över tid. Resultatet motsvarar antalet molekyler av den aktuella gasen. Vid en känd volym kan sedan koncentrationen räknas ut.

Vanliga gaser att analysera med hjälp av en elektrokemisk sensor är:

Bränsleceller i fordon[redigera | redigera wikitext]

FCV.

FCV står för Fuel Cell Vehicles och är en benämning på fordon som drivs med bränsleceller. Serietillverkade bilar som drivs av bränsleceller kommer troligt först under 2015-2020.[2]

Se även[redigera | redigera wikitext]

Referenser[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ chalmers.se - Vad är en bränslecell?
  2. ^ [a b c] http://www.nyteknik.se/nyheter/innovation/forskning_utveckling/article258235.ece Så fungerar bränsleceller

Externa länkar[redigera | redigera wikitext]