Brenselcelle er en elektrokjemisk celle som genererer elektrisk energi gjennom spontane elektrodereaksjoner. En brenselcelle fungerer på samme måte som et batteri under utlading bortsett fra at reaktantene i en brenselcelle tilføres kontinuerlig. Navnet brenselcelle kommer av at hydrogen eller hydrokarboner er mye brukt som den ene reaktanten og kan betegnes som brennstoff.
brenselcelle
Brenselcelle. Skjematisk fremstilling. Brensel (hydrogen) pumpes inn mot den ene elektroden og ioniseres der ved å avgi elektroner. De positive hydrogenionene driver over mot den andre elektroden og møter der negativt ladde oksygenioner som de slår seg sammen med, slik at det dannes vann.
Virkemåte
En brenselcelle består av to elektroder nedsenket i en elektrolytt.
Det brennbare stoffet, som regel hydrogen eller hydrokarboner i gass- eller væskeform, ledes inn ved den ene elektroden, anoden, som er den negative elektroden. Det foregår en oksidasjonsreaksjon.
Ved den andre positive elektroden elektroden, katoden, tilføres den andre rektanten. Det foregår en reduksjonsreaksjon.
Effektivitet
Som andre elektrokjemiske systemer har brenselceller en energieffektivitet i området fra omtrent 50 til 65 prosent. Tapene skyldes hastighetsbegrensinger for elektrodereaksjonene og spenningstap på grunn av strømmen som passerer gjennom elektrolytten. Energitapene fører til varmeutvikling.
Historikk
Prinsippet for brenselcellen kan føres tilbake til den britiske fysikeren William Robert Grove (1811–1896), som i 1839 beskrev et eksperiment der han frembrakte elektrisk strøm ved å lede hydrogen og oksygen mot to atskilte elektroder senket i svovelsyre.
De tekniske vanskelighetene med å lage en brukbar brenselcelle har imidlertid vært så store at det tok over 100 år å løse problemene. Omkring 1940 hadde man, vesentlig gjennom eksperimentering, funnet frem til en rekke virksomme typer, men ingen av dem var så velutviklet at de kunne være til noen praktisk nytte.
Brenselceller har fått stor praktisk betydning innenfor romvirksomhet. Nye typer brenselceller ventes å få sterkt økende anvendelse.
Konstruksjon
Brenselet består i de mest utviklede cellene av hydrogen. Det er også gjort lovende forsøk med metanol, og det finnes brenselceller som drives med metan, etan, etanol, karbon og tyngre karbonforbindelser. Ammoniakk og hydrazin blir også brukt. Cellene drives dels med luft, dels med rent oksygen.
Cellespenningen i en hydrogen-oksygen-celle kan være 1,2 volt. De fleste andre brensler gir mindre spenning. Som energikilde brukes derfor som regel batterier av flere celler. Er brenselet i gassform, blåses det gjennom elektrolytten inn mot elektroden. Er det i form av løsbar gass eller væske, tilsettes det elektrolytten som sirkulerer forbi elektroden. Man må hindre brenselet i å komme i kontakt med feil elektrode, ved hjelp av porøse membraner eller på annen måte.
Elektrodene
Elektrodene skal ikke påvirkes kjemisk av elektrolytten. Under reaksjonen skal brensel og oksygen være i vekselvirkning med både elektrolytt og elektrode samtidig. Derfor lages elektrodene med stor, ru eller porøs overflate. En vanlig elektrodeform er den såkalte baconelektroden, laget av porøs nikkel der porene har større åpninger på den ene siden av platen enn på den andre. Hydrogen (eller annet brensel) presses inn mot platen fra den grovporede siden, mens elektrolytt på grunn av kapillarkreftene suges inn fra den finporede side. Reaksjonen foregår så inne i porene.
Elektrodene er meget effektive, men svært følsomme for variasjoner i gasstrykk og for forurensninger i brensel eller elektrolytt, noe som har ført til driftsvanskeligheter under enkelte romferder. Elektrodene skal virke katalytisk for elektrodereaksjonene, noe som er avgjørende for valg av elektrodemateriale. Foruten nikkel er platina, iridium, palladium, sølv og forskjellige legeringer vanlig brukt.
Elektrolyttene
Elektrolytten kan være en sur, basisk eller nøytral vandig løsning. Man kan bruke forskjellige elektrolytter ved de to elektrodene. Da skilles disse med en membran, oftest av et polymert stoff, der H+- eller OH−-ioner overføres fra den ene siden til den andre ved at ladning overføres fra atom til atom gjennom membranen. Noen brenselceller bruker imidlertid saltsmelte eller fast stoff som elektrolytter.
Tilpassing av brensel, elektrodemateriale og elektrolytt er et av de vesentligste problemene ved konstruksjon av brenselceller.
Egenskaper og bruk
Under drift vil cellen lett polariseres. Da synker spenningen sterkt. Den må derfor ikke belastes for mye. Både av den grunn, og for å unngå energitap som følge av varmeutvikling i cellen, lager man elektrodene av store, parallelle plater med liten avstand mellom. Strømtettheten i cellen er vanligvis under 0,1 ampere per kvadratcentimeter.
Den store interessen brenselcellen har vakt skyldes at den er lettere i vekt enn noe annet elektrokjemisk element med tilsvarende kapasitet. Mens blyakkumulatorer med en kapasitet på 1 kilowattimer veier om lag 50 kilogram, kan brenselceller med samme kapasitet lages med en vekt på bare 7 kilogram. Vekten av brenselet, hydrogen og oksygen som omsettes til vann, utgjør rundt ½ kilogram per kilowattimer. For et system som skal være i langvarig bruk vil likevel vekten av brenselet som må følge med bli betydelig.
I romferger som er beregnet på kortere opphold i det ytre rom, har brenselceller blitt brukt i stor utstrekning mye på grunn av det gunstige energi/vekt forholdet. Vannet som utvikles i cellen kan utnyttes.
Ut over romfartøyer knytter det seg også en del interesse til brenselcellen som mulig erstatning for forbrenningsmotoren i biler, og den har interesse for spesielle formål fordi den arbeider lydløst og trenger liten plass. Mens de cellene som er utviklet for romskip, er basert på bruk av ren hydrogen og oksygen, kan man i andre celler være bedre tjent med andre former for brensel, og med å benytte luft istedenfor rent oksygen for reduksjonsprosessen.
Typer brenselceller
Følgende typer brenselceller er utviklet på kommersiell basis:
- Protonledende membran brenselceller (PEMFC –Proton Exchange Membrane Fuel Cells eller Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)
- Alkaliske brenselceller (AFC – Alkaline Fuel Cells)
- Fosforsyre brenselceller (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cells)
- Direkte metanol brenselceller (DMFC – Direct Methanol Fuel Cells)
- Smeltet karbonat brenselceller (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cells)
- Direkte karbon brenselceller (DCFC – Direct Carbon Fuel Cells)
- Fast oksid brenselceller (SOFC – Solid Oxide Fuel Cells)
De fire førstnevnte virker rundt romtemperatur, mens de tre sistnevnte krever høy temperatur.
Les mer i Store norske leksikon
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.