Bränslecell

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
Uppslagsordet ”FCV” leder hit. För Fotbollsklubben, se FC Vestsjælland.
Bränslecell (med som elektrolyt en keramisk oxid)

En bränslecell omvandlar kemisk energi från ett bränsle plus ett oxidationsmedel till elektricitet, detta genom en kemisk reaktion varvid bränslet oxideras vid anoden och oxidationsmedlet reduceras vid katoden.

Definition[redigera | redigera wikitext]

Bränslecellen består av en elektrolyt (ämne som kan leda ström eftersom den innehåller joner som är små laddade partiklar) mellan två elektroder, den ena positiva elektroden är katod och den andra negativa elektroden är anod. Bränslet och oxidationsmedlet tillförs elektroderna utifrån och lagras inte inne i cellen som i ett konventionellt primär- eller sekundärbatteri.

Vanligt är att använda väte som förs till anod, och syre till katod men det finns andra koncept som använder andra bränslen och oxidationsmedel. 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. I den vidstående bilden är elektrolyten en fastoxid (keramisk oxid) där den inre strömmen förmedlas av syrejoner och vatten(ånga) bildas vid anoden.

Så länge bränslecellen har tillgång till syre och väte kan den producera elektricitet. En väte-syrecell ger en spänning på cirka en volt. Bränsleceller seriekopplas för att ge högre spänning som tillsammans med storleken på cellens area kan ge högre strömstyrka, tillsammans mer effekt än en enskild cell.

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 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 som katalysator, exempelvis nickel istället för platina[1][2].

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. Seriekopplade celler tillsammans med plattor i varje ända som mekaniskt håller dem samman kallas bränslecellsstack.

Historia[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.
AFC - (Alkaline Fuel Cell) Alkalisk bränslecell.
DMFC - (Direct Methanol Fuel Cell) Direktmetanolbränslecell, vanligen av PEFC-typ.
MCFC - (Molten Carbonate Fuel Cell) Smältkarbonatbränslecell.
PAFC - (Phosphoric Acid Fuel Cell) Fosforsyrabränslecell.
PEMFC - (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) Polymerelektrolytbränslecell.
SOFC - (Solid Oxide Fuel Cell) Fastoxidbränslecell.

För - och nackdelar med bränslecellstekniken[redigera | redigera wikitext]

  • Mycket hög verkningsgrad[3].
  • Obefintliga föroreningar, endast utsläpp av vatten[3].
  • Dyr.
  • Bränslecellens miljöpåverkan bestäms av hur vätgasen tillverkas. Vätgas kan tillverkas på flera sätt och om den sker på ett hållbart sätt, t ex genom elektrolys av vatten med hjälp av sol- eller vindkraft, ger bränslecellerna en mycket liten miljöpåverkan. Tillverkning av vätgas ur fossila bränslen som naturgas medför negativ miljöpåverkan[4].
  • Än så länge outvecklad distribution av vätgas.
  • Komplex styrning av t.ex. temperatur, bränsle- luft- och vattenflöden.
  • Frågetecken kring livslängd[2].

Bränslecell som sensor[redigera | redigera wikitext]

Bränsleceller kan också användas 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 med tiden. 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: bränslecellsbilar[redigera | redigera wikitext]

FCV.
Toyota - Hino bränslecellbus 2015

FCV står för Fuel Cell Vehicles och är en benämning på fordon som drivs med bränsleceller.

Bränslecellsbilar är en typ av elbil, som får energi från en bränslecellsstack som matas med vätgas och syre. När en kemisk process mellan de båda ämnena uppstår bildas – enkelt förklarat – elektricitet som därefter lagras i batterier. Från avgasröret kommer ingenting annat än vattenånga.[5]

Bränslecellsbilar har varit många biltillverkares dröm under lång tid. Detta, eftersom biltypen har potential att på riktigt lösa trafikens miljöproblem, och erbjuda hållbar mobilitet i uttryckets rätta bemärkelse. Redan 1966 visade GM upp Electrovan, en GMC Handivan med vätgasdriven bränscellsdrivlina. Nackdelen då var främst att infrastrukturen för vätgas var obefintlig. På 1990-talet kom fler vätgasdrivna bränslecellsbilar, främst från Mazda och Mercedes. Men mycket längre än konceptstadiet kom bilarna aldrig. Efter millennieskiftet tog det fart ordentligt, Toyota FCHV som kom 2002 och som faktiskt fanns till salu i begränsad upplaga. Därefter har Toyota visat upp flertalet versioner av FCHV samt några andra konceptbilar.[6]

Nu tas nästa steg mot massproduktion av bränslecellsbilar. Toyota lanserade sin bränslecellsbil Mirai 2014, och Hyundai har också lanserat en.

Mirai, Toyotas bränslecellsbil som finns i produktion sedan 2014.

Mirai” heter Toyotas bränslecellsbil, som presenterades i november 2014. Mirai betyder ”framtid” på japanska. Denna nya bränslecellsbil representerar en tydlig milstolpe inom fordonsindustrin, eftersom den möjliggör en både säkrare och mer hållbar rörlighet för många. Toyota Mirai introduceras i USA, Japan och utvalda länder i Europa under våren och sommaren 2015.[7]

Se även[redigera | redigera wikitext]

Referenser[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ chalmers.se - Vad är en bränslecell?
  2. ^ [a b] Ny Teknik: ”Lång uppförsbacke väntar”. http://www.nyteknik.se/nyheter/fordon_motor/bilar/article3853436.ece. Läst 20141022. 
  3. ^ [a b] ”Olika typer av bränsleceller”. http://fy.chalmers.se/~f1xjk/FysikaliskaPrinciper/Projekt/Projekt30/typer.html. Läst 20141118. 
  4. ^ ”Så fungerar bränsleceller”. http://www.nyteknik.se/nyheter/innovation/forskning_utveckling/article258235.ece. Läst 20141118. 
  5. ^ ”Toyota Mirai Fuel Cell Sedan officiell – fakta om bränslecellsbilen”. http://teknikensvarld.se/toyota-mirai-fuel-cell-sedan-officiell-fakta-om-branslecellsbilen-165834/. Läst 2014-11-18. 
  6. ^ ”Honda FCV Concept – bränscellsbil med lång räckvidd snart här”. http://teknikensvarld.se/honda-fcv-concept-branscellsbil-med-lang-rackvidd-snart-har-165592/. Läst 2014-11-18. 
  7. ^ [http://www.motormagasinet.se/alla/framtiden-stavas-mirai/ ”Framtiden stavas ”Mirai” Toyotas nya bränslecellsbil”]. http://www.motormagasinet.se/alla/framtiden-stavas-mirai/. Läst 2014-11-18. 

Externa länkar[redigera | redigera wikitext]