Bränslecell

En bränslecell producerar elektricitet med hjälp av den energi som frigörs när bränsle blandas med luft, en reaktion som skapar vatten och ibland även koldioxid. Det vanligaste bränslet för bränsleceller är väte, som när det reagerar med luftens syre endast producerar vatten. Bränsleceller fungerar som ett batteri som ständigt matas med bränsle så att det aldrig tar slut (så länge du har tillräckligt med bränsle). Bränsleceller är en viktig del av vätgasekonomin. Vätgasmolekyler finns i ämnen som metan, vatten och biomassa, men i samtliga fall krävs det energi för att utvinna dem. Det finns två vanliga sätt att framställa vätgas - den kan separeras från de flesta bränslen som olja, gas och kol i en process som kallas ångreformering, eller så kan den utvinnas ur vatten med hjälp av en process som kallas elektrolys. Om vätgasen separeras från fossila bränslen frigörs koldioxid. Om den energi som används för att utvinna vätgasen ur vatten genom elektrolys kommer från sol- eller vindkraft är den vätgas som produceras godartad eftersom inga utsläpp släpps ut. Vätgas kan också separeras från förnybar biogas, vilket innebär att det kol som släpps ut inte är av fossilt ursprung och därför ingår i den naturliga kolcykeln.

Direktmetanolbränslecell. Den faktiska bränslecellsstacken är den skiktade bikubiska strukturen i mitten av bilden.

Hur man omvandlar energi

Vatten är en molekyl som består av en syreatom och två väteatomer. Det krävs energi för att dela upp vatten i syre och väte, och energi frigörs när de åter sätts ihop till vatten. I en bränslecell sätts väte och syre samman igen på ett sätt som frigör energin i form av elektricitet.

Bränsle (energikällan, vanligtvis väte) och luft (som innehåller syre) placeras på motsatta sidor av bränslecellen. I mitten av bränslecellen finns en "skärm", en så kallad elektrolyt, mellan två metallplattor, elektroder, som håller bränsle och luft åtskilda. Olika typer av bränsleceller får sina namn beroende på vilken typ av skärm som används för att separera bränsle och luft. Skärmen tillåter endast specifika laddade molekyler, även kallade joner, att passera genom den.

För att skapa joner måste elektroner transporteras från den ena sidan av systemet till den andra. Elektronerna avskiljs från bränslet av metallplattan på bränslesidan och måste gå till luftsidan för att slutföra reaktionen. Eftersom skärmen inte släpper igenom elektronerna går de genom en separat tråd till den andra metallplattan på luftsidan. Elektronernas rörelse skapar elektrisk ström (elektricitet). Det är i ledningen som elektriciteten kan användas. Tråden kan till exempel klippas på mitten och en glödlampa kan anslutas mellan de två halvorna.

Under tiden passerar jonerna genom skärmen och reagerar med molekylerna (som redan finns på andra sidan) och elektronerna (som har färdats genom tråden och avger energi för att driva elektronik) på andra sidan. Vatten bildas (och, beroende på bränsletyp, ibland andra produkter), som sedan kommer ut genom ett avgasrör.

Effektivitet

Bränsleceller producerar elektricitet genom att kombinera syre och väte. Verkningsgraden är mycket god (ca 40-70 %). De har en maximal verkningsgrad på 83 % om avgasvärmen används under reaktionen. Bränsleceller kan också använda olika bränslen, t.ex. naturgas, metanol, LPG (Liquid Petroleum Gas), nafta, fotogen osv.

Funktioner

Vissa typer av bränsleceller producerar endast vatten, vilket innebär att de inte förorenar. De flesta typer av bränsleceller orsakar mycket mindre utsläpp än klassisk ("kalorisk") elproduktion. De kan förbruka samma bränsletyper som klassiska kraftgeneratorer, t.ex. dieselmotorer, men de är ungefär två gånger så effektiva, vilket innebär att de kan producera samma mängd energi med hälften så mycket bränsle, och därmed minst hälften så mycket föroreningar. Dessutom har den direkta omvandling som bränsleceller använder mindre risk för att producera sekundära utsläpp som NOx, SOx och partiklar, som är bieffekter av förbränning, bidrar till den globala uppvärmningen och är så kallade kriterieföroreningar.

Bränsleceller är mycket tysta. De har inga rörliga delar bortsett från några fläktar för att flytta luft och pumpar för att flytta vatten, vilket innebär att de mycket sällan behöver repareras, men vissa stora bränsleceller som används för att driva t.ex. byggnader kan vara ganska ömtåliga.

På grund av de mycket låga utsläppen av föroreningar används bränsleceller ofta i fordon som rör sig inuti byggnader, t.ex. gaffeltruckar. Eftersom de är mycket tysta används de i vissa militära ubåtar för att undvika upptäckt. Bränslet används mer effektivt, vilket innebär att bränsleceller kan fungera längre utan att behöva hämta nytt bränsle. Detta gör att de kan användas på platser som är svåra att ta sig till, t.ex. väder- eller forskningsstationer, rymdskepp eller militärbaser.

Eftersom rymdskepp skjuts upp med raketer som innehåller rent väte och syre, produceras elen ombord med hjälp av mycket effektiva bränsleceller som kan använda dessa bränslen. Dessutom producerar bränslecellerna i rymdskeppen rent vatten i avgaserna, vilket kan fångas upp och användas som dricksvatten för astronauterna, vilket innebär att ingenting går till spillo.

Typer av bränsleceller

Bränsleceller kan klassificeras efter typen av inre skärm (elektrolyt). Bränsleceller med fosforsyra är till exempel avsedda för låga temperaturer. Den används i mobiltelefoner och bilströmmar som kräver höga strömmar eftersom den är mycket säkrare. Alkali-bränsleceller innehåller vanligtvis kaliumhydroxid (KOH). Metanolbränsleceller används genom att metanol reagerar elektrokemiskt. Denna typ av bränslecell är ett bättre val för enklare system. Metanolbränsleceller har dock låg utgångstäthet eftersom reaktionshastigheten är långsam.

Några viktiga typer av bränsleceller är:

Bränslecell för fosforsyra (PAFC) - Bränsleceller för fosforsyra finns kommersiellt tillgängliga idag. De är de vanligaste bränslecellerna för kombinerad värme- och elproduktion.
Proton Exchange Membrane fuel cell (PEM) - Dessa bränsleceller fungerar vid relativt låga temperaturer (ca 175 °F), har hög effekttäthet, kan snabbt variera sin effekt för att möta förändringar i efterfrågan på energi och lämpar sig för tillämpningar, t.ex. i bilar, där det krävs snabb start. Alla kommersiella bränslecellsfordon använder denna typ av bränslecell. Nackdelen med dessa bränsleceller är att de kräver väte med hög renhet som är dyrt att producera.
Bränsleceller med smält karbonat (MCFC) - Dessa bränsleceller arbetar vid mycket höga temperaturer, vilket gör att de kan omvandla mer komplexa bränslen, som naturgas, till vätgas som används i själva cellen. Det tar flera timmar att starta och stänga upp dem, så de används endast i tillämpningar där de kan vara igång kontinuerligt, t.ex. stationär kraftförsörjning för stora byggnader/företag.
Mikrobiell bränslecell (MFC) - En bränslecell som använder mikrober som andas för att omvandla organiska substrat till elektrisk energi med hjälp av oxidations-reduktionsreaktioner.

Applikationer

Det finns många användningsområden för bränsleceller - stora biltillverkare arbetar för att kommersialisera bränslecellsbilar. Toyota och Honda har lanserat Mirai respektive Clarity. Bränsleceller driver bussar, båtar, tåg, flygplan, skotrar, gaffeltruckar och cyklar. Det finns bränslecellsdrivna varuautomater, dammsugare och vägskyltar på motorvägar. Miniatyrbränsleceller för mobiltelefoner, bärbara datorer och bärbar elektronik förutspås. Sjukhus, kreditkortscentraler, polisstationer och banker använder bränsleceller för att förse sina anläggningar med ström. Avloppsreningsverk och deponier använder dem för att omvandla den metangas de producerar till elektricitet. Bränsleceller har länge använts i rymden. Telekommunikationsföretag använder bränsleceller i mobiltelefontorn, radiotorn och 911-torn.

Frågor och svar

F: Hur genererar en bränslecell elektricitet?

S: En bränslecell genererar elektricitet genom att blanda bränsle med luft och skapa en reaktion som frigör energi, skapar vatten och ibland koldioxid.

F: Vilket är det vanligaste bränslet som används i bränsleceller?

S: Det vanligaste bränslet som används i bränsleceller är vätgas.

F: Hur skiljer sig en bränslecell från ett batteri?

S: En bränslecell skiljer sig från ett batteri genom att den ständigt matas med bränsle så att den aldrig tar slut, så länge det finns tillräckligt med bränsle tillgängligt.

F: Vad är vätgasekonomi?

S: Med vätgasekonomi avses användning av vätgas som bränslekälla för att minska beroendet av fossila bränslen.

F: Hur produceras vätgas?

S: Väte kan produceras med hjälp av en process som kallas ångreformering eller extraheras från vatten med hjälp av en process som kallas elektrolys.

F: Vad händer när vätgas separeras från fossila bränslen?

S: När vätgas separeras från fossila bränslen frigörs koldioxid.

F: Kan vätgas framställas på ett sätt som inte ger några skadliga utsläpp?

S: Ja, om den energi som används för att producera vätgas kommer från förnybara källor som sol eller vind, är den producerade vätgasen godartad eftersom inga utsläpp släpps ut. Vätgas kan också separeras från förnybar biogas, vilket innebär att det kol som släpps ut inte är av fossilt ursprung och därför är en del av den naturliga kolcykeln.