brenselcelle

Brenselcelle er en elektrokjemisk celle som omformer et brennbart stoff direkte til elektrisk energi. Det brennbare stoffet kan være hydrogengass, metanol eller etanol.

En brenselcelle består av to elektroder nedsenket i en elektrolytt. Forskjellen mellom en brenselcelle og en galvanisk celle, som er bygd opp på samme måte, er at elektrodene i brenselcellen ikke reagerer med elektrolytten, men holder seg uforandret så lenge cellen er i virksomhet.

Det brennbare stoffet ledes inn og reagerer med oksygen under dannelse av karbondioksid og vann. Brenselet, som regel hydrogen eller hydrokarboner i gass- eller væskeform, ledes inn ved den ene elektroden (den negative pol), avgir elektroner til denne og reagerer samtidig med elektrolytten under dannelse av H⁺-ioner og eventuelt CO₂ (oksidasjonsprosessen).

Ved den andre elektroden (den positive pol) tilføres luft eller oksygen. Elektroden avgir elektroner, og oksygenet reduseres ved at det i elektrolytten dannes OH⁻-ioner som reagerer med H⁺-ionene til vann. Teoretisk representerer den elektriske strøm som derved oppstår, den samme energimengde som ville blitt frigjort i en tilsvarende forbrenningsprosess, når man ser bort fra en mindre del som har med trykk- og temperaturforholdene å gjøre.

Skal energien brukes til mekanisk arbeid eller drift av elektriske apparater, representerer imidlertid brenselcellen en langt mer effektiv energikilde enn en motor drevet ved en forbrenningsprosess. En forbrenningsmotor har en virkningsgrad på ca. 35 %, en dampturbin ca. 50 %, mens en brenselcelle har en teoretisk øvre grense på nær 100 %. På det nåværende stadium regnes dog en virkningsgrad på 50–60 % som et bra resultat.

Prinsippet for brenselcellen kan føres tilbake til den britiske fysiker W. R. Grove, som i 1839 beskrev et eksperiment der han frembrakte elektrisk strøm ved å lede hydrogen og oksygen mot to atskilte elektroder anbrakt i svovelsyre. De tekniske vanskelighetene med å lage en brukbar brenselcelle har imidlertid vært så store at man tross atskillige forsøk, har brukt over 100 år på å løse problemet. Omkring 1940 hadde man, vesentlig ad empirisk vei, funnet frem til en rekke virksomme typer, men ingen av dem så velutviklet at de kunne være til noen praktisk nytte.

Siden den annen verdenskrig har både den teoretiske og eksperimentelle forskning på dette området vært meget intens,og man har etter hvert funnet frem til en del brukbare konstruksjoner.

Brenselet består i de mest utviklede cellene av hydrogen. Det er gjort lovende forsøk med metanol, og det finnes brenselceller som drives med metan, etan, etanol og tyngre karbonforbindelser. Ammoniakk og hydrazin blir også brukt. Cellene drives dels med luft, dels med rent oksygen. Den elektromotoriske spenning i en hydrogen-oksygen celle er ca. 1,2 V. 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 ved hjelp av porøse membraner eller på annen måte hindre brenselet i å komme i kontakt med feil elektrode.

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 baconelektrode, 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 side, 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 stimulerende på de prosesser som foregår, noe som er avgjørende for valg av elektrodemateriale. Foruten nikkel er platina, iridium, palladium, sølv og forskjellige legeringer vanlig brukt.

Elektrolytten kan være en sur, basisk eller nøytral løsning. Man kan bruke forskjellige elektrolytter ved de to elektrodene og skiller da 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. Tilpassing av brensel, elektrodemateriale og elektrolytt er et av de vesentligste problemene ved konstruksjon av brenselceller.

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 A/cm².

Den store interesse 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 kWh veier ca. 50 kg, kan brenselceller med samme kapasitet lages med en vekt på bare 7 kg. Vekten av brenselet, hydrogen og oksygen som omsettes til vann, utgjør ca. ½ kg per kWh. For et system som skal være i langvarig bruk, vil likevel vekten av brenselet som må følge med, bli betydelig.

I satellitter og romfartøyer beregnet på lange opphold i det ytre rom vil dermed brenselcellen som eneste energikilde være lite egnet. Solceller er å foretrekke. Men man kan kombinere solceller med anlegg for elektrolytisk spaltning av vann og på den måten produsere eller gjenvinne hydrogen og oksygen til brensel i brenselceller. Et slikt system vil både tjene til energilagring og som et effektivt renseanlegg for avfallsvann.

I romferger som er beregnet bare på kortere opphold i det ytre rom, har brenselcellene allerede fått anvendelse på grunn av det gunstige energi/vekt forholdet. I USAs romferger fra 1980-årene leveres all den elektriske energien fra et anlegg som består av tre batterier av brenselceller. Hvert batteri er bygd opp av 32 seriekoblede brenselceller. Batteriet får en maksimal effekt på 12 kW. Det veier vel 90 kg når brenselet ikke medregnes. Vannet som utvikles i cellen, blir nyttegjort til kjøling av utstyr i romfergen.

Foruten i 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 oksidasjonsprosessen.

En nyutviklet variant av brenselcelle-konstruksjonen gjør bruk av et hurtig ioneledende materiale som elektrolytt. Elektrolytten i slike SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) konstruksjoner er zirkoniumdioksid (zirkonia, ZrO₂) dopet (substituert) med 8–10 % yttriumoksid, Y₂O₃. Ved arbeidstemperatur på ca. 1000 °C er oksid-ionene raskt beveglige via tomplasser i krystallstrukturen. Anodematerialet består av porøs nikkel-zirkonia og den porøse katoden av strontium-substituert lantan-manganitt, LaMnO₃.

Konstruksjonene er fortsatt på utviklingsstadiet, bl.a. fordi man ikke oppnår en stor nok del av den totale energi som elektrisk energi fra cellen. I 1990-årene har det vært betydelig forskningsinnsats i Norge, med deltagelse fra sentrale bedrifter.

Polymer-elektrolytt-brenselcellene er en ny type lavtemperatur brenselceller som kommer for fullt. Elektrolytten er en protonbytter- membran, derav forkortelsen PEM-celler (Proton Exchange Membrane). Fordi elektrolytten er en tynn polymerfilm, kan cellene lages meget kompakte.

Biokjemiske brenselcelleri inneholder foruten en vanlig brenselcelle som drives med organiske karbonforbindelser, også en biologisk aktiv del, der organiske stoffer brytes ned til passende brensel ved hjelp av enzymer eller mikroorganismer (f.eks. ved en gjæringsprosess), eller hvor brensel og oksygen utvikles ved fotosyntese i planter. Slike brenselceller er foreløpig lite utviklet, men de er av stor interesse fordi de representerer en mulighet for utnyttelse av solenergi og avfallsprodukter som produseres under lange romferder.