Brenselcelle

Ei brenselcelle er eit elektrisk element der kjemisk energi, som òg kan frigjerast som varme ved forbrenning, vert nytta til å frambringe elektrisk straum.

Drivstoffet er vanlegvis hydrogen eller naturgass, men det er òg mogleg å bruke ei rekkje andre hydrokarbon og alkoholar – til dømes propan, LPG, metanol eller biogass. Som oksidasjonsmiddel blir oftast brukt oksygen. Ei brenselcelle som brukar hydrogen som drivstoff og oksygen som oksidasjonsmiddel, blir kalla ei hydrogencelle.

Cella består av ein katode, ein anode og ein elektrolytt som er plassert mellom elektrodane. Ei brenselcelle skil seg frå eit batteri ved at den kjemiske energien hentast frå ei ekstern kjelde (drivstoffet), medan eit batteri har den kjemiske energien lagra internt (lukka system).
Medan batteri må ladast, vil ei brenselcelle fortsette å verke så lenge han vert tilført brenselkjelda.

Virkemåte
Ei brenselcelle konverterer kjemisk energi til elektrisk energi direkte i ein kjemisk prosess utan normal forbrenning. Ein membran som kan leie positivt ladde hydrogenatom (H+, proton) blir eksponert for hydrogen (H2) på den eine sida og oksygen (O2) eller luft på andre sida. Dei to sidene av membranen er òg kopla saman med elektriske leidningar. Protona frå hydrogenatoma vil då gå igjennom membranen og reagere med oksygen, medan elektrona vil gå i dei ytre leidningane for å fullføre reaksjonen. Dette resulterer i ein straum i den ytre krinsen som kan utnyttast som elektrisk energi. Det vert òg danna vatn (H2O). Denne prosessen er det motsette av elektrolyse. Likninga for den kjemiske reaksjonen, er:
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)

Ei brenselcelle består av fleire slike celler kopla saman i serie fråskild med skiljeplater. Kvar plate i serie bidreg med 0,5 til 1,0 volt, avhengig av straumen. Storleiken på platene avgjer kor mykje straum ein kan få ut av brenselcellene. Den totale effekten (i watt) blir straum multiplisert med spenning.

Fordelar og ulemper
Ein fordel med brenselceller er at dei gjev høg verknadsgrad, det vil seie at ein kan ta ut mykje nyttig energi i tilhøve til den totale energimengda i drivstoffet som blir forbrukt. I konvensjonelle forbrenningsmotorar i bilar er verknadsgraden særs låg (rundt 30%), fordi mykje av energien går over til varme. Verknadsgraden i brenselceller kan vere langt høgare.

Brenselceller har låge klimagassutslipp: Dersom brenselet inneheld karbon vil avgassen innehalde CO2, men i langt lågare mengder enn frå tradisjonelle forbrenningsmotorar. Er drivstoffet reint hydrogen, vil sluttproduktet berre vere vatn. Men for å vurdere effektiviteten og miljøvennlegheita til ei brenselcelle, må heile verdikjeden tas med i rekninga for det aktuelle drivstoffet. I dag vert hydrogen produsert frå naturgass, noko som fører til CO2-utslepp i produksjonen. I framtida ser ein for seg hydrogen produsert frå fornybare kjelder, samt fra naturgass med CO2 kombinert med brenselceller som ein forureiningsfri energiteknologi.

Brenselcelleteknologiar
Det finst fleire forskjellige brenselcelleteknologiar, dei mest sentrale er:

PEM – Polymer-elektrolyttmembran
SOFC – Fast oksid brenselcelle (Solid oxide fuel cell), elektrolytt O3, temp 850°C
MCFC – Flytande karbonat brenselcelle (Molten carbonate fuel cell), elektrolytt CO2, temp 650°C
DMFC – Direkte metanol brenselcelle, elektrolytt H+, temp 80°C
PAFC – Fosforsyrebrenselcelle (Phosporic acid fuel cell), elektrolytt H+, temp 200°C
PEMFC – Protonutveksklings-brenselcelle, elektrolytt H+, temp 80°C

Teknologiane har ulike fordeler og ulemper og vil ha ulike bruksområde i framtida.

Brenselceller i Noreg
Fleire føretak og universitet i Noreg er involvert i brenselcelleutvikling. Eit nasjonalt utviklingsprosjekt for brenselceller ombord i skip, kalla FellowSHIP, administrerast sidan 2003 av Innovasjon Noreg og Noregs forskningsråd, med deltaking frå Det norske Veritas, Eidesvik AS, Wärtsila, m.fl. Målet er å utvikle skipsmotorar med ein effekt på 330 kW basert på brensel av naturgass (LNG).

I Bergen har Prototech AS eigne program for å utvikle små SOFC anlegg for kombinert elektrisitet- og varmeproduksjon for bustad og industri. Det første pilotanlegget vart i 2007 starta med testing på Kolsnes utanfor Bergen. Prototech har òg eit program for reversible PEM brenselceller som kan produsere hydrogen frå fornybare energikjelder når dei leverer overskot, for så å produsere ekstra straum når primærkjelda ikkje leverer nok.

Eidesvik AS på Bømlo har eit eige program for å utvikle brenselceller til bruk i skipsfart. Dette kan så godt som fjerne NOX-utsleppa frå den tørste NOX-kjelda på kloden.

Ved Universitetet i Agder i Grimstad finst òg god kompetanse på brenselceller. Dei har hatt eit anlegg for elektrolyse av vatn i Energiparken på Dømmesmoen.

Historikk
Prinsippet med brenselceller vart oppdaga av den tyske vitskapsmannen Christian Friedrich Schönbein, då han arbeidde med ozon og reaksjonen mellom hydrogen og oksygen. Dette vart publisert i eit av dei vitskaplege tidsskrifta i januar 1839. 

Berre éin månad seinare, i februar 1839, publiserte den walisiske vitskapsmannen og advokaten sir William Robert Grove sine observasjonar av oppfinninga han kalla «gas voltaic battery» i Philosophical Magazine and Journal of Science. I 1842 vart skissene publiserte i den same journalen. Brenselcella han laga, brukte same materiale som dagens fosforsyrebrenselcelle.

Sjå òg
 Hydrogeninfrastruktur
 Carnotprosess

Kjelder
Denne artikkelen bygger på «Brenselcelle» frå ,  den 9. oktober 2012. 
 oppgav desse kjeldene:

Bakgrunnsstoff

 
Energiomforming
Hydrogenteknologi