Brenselcelle

En brenselcelle er en enhet som lager elektrisk energi fra et drivstoff, ved å la det reagere med oksygen, ved hjelp av et oksidasjonsmiddel i en elektrokjemisk prosess. Drivstoffet er vanligvis hydrogen eller naturgass, men det er også mulig å bruke en rekke andre hydrokarboner og alkoholer – for eksempel propan, LPG, metanol eller biogass. Som oksidasjonsmiddel brukes oftest oksygen. En brenselcelle som bruker hydrogen som drivstoff og oksygen som oksidasjonsmiddel, kalles en hydrogencelle.

Cellen består av en katode, en anode og en elektrolytt som er plassert mellom elektrodene. En brenselcelle skiller seg fra et batteri ved at den kjemiske energien hentes fra en ekstern kilde (drivstoffet), mens et batteri har den kjemiske energien lagret internt (lukket system).^[1] Mens batterier må lades, vil en brenselcelle fortsette å virke så lenge den tilføres brenselkilden.

En brenselcelle konverterer kjemisk energi til elektrisk energi direkte i en kjemisk prosess uten normal forbrenning. En membran som kan lede positivt ladde hydrogenatomer (H⁺, protoner) blir eksponert for hydrogen (H₂) på den ene siden og oksygen (O₂) eller luft på andre siden. De to sidene av membranen er også koblet sammen med elektriske ledninger. Protonene fra hydrogenatomene vil da gå igjennom membranen og reagere med oksygen, mens elektronene vil gå i de ytre ledningene for å fullføre reaksjonen. Dette resulterer i en strøm i den ytre kretsen som kan utnyttes som elektrisk energi. Det dannes også vann (H₂O). Denne prosessen er det motsatte av elektrolyse. Ligningen for den kjemiske reaksjonen, er:

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)

En brenselcelle består av flere slike celler kobler sammen i serie adskilt med skilleplater. Hver plate i serie bidrar med 0,5 til 1,0 volt, avhengig av strømmen. Størrelsen på platene avgjør hvor mye strøm man kan få ut av brenselcellene. Den totale effekten (i watt) blir strøm multiplisert med spenning.

En fordel med brenselceller er at den gir høy virkningsgrad, det vil si at man kan ta ut mye nyttig energi i forhold til den totale energimengden i drivstoffet som forbrukes. I konvensjonelle forbrenningsmotorer i biler er virkningsgraden svært lav, rundt 30%, og i moderne motorer rundt 35%, fordi mye av energien går over til varme. Virkningsgraden i brenselceller kan være langt høyere.^[2]

Brenselceller har lave klimagassutslipp: Dersom brenselet inneholder karbon vil avgassen inneholde CO2, men i betydelig lavere mengder enn fra tradisjonelle forbrenningsmotorer. Er drivstoffet rent hydrogen, vil sluttproduktet kun være vann. Men for å vurdere effektiviteten og miljøvennligheten til en brenselcelle, må hele verdikjeden tas med i betraktningen for det aktuelle drivstoffet. I dag produseres hydrogen fra naturgass, noe som fører til CO₂-utslipp i produksjonen. I framtida ser man for seg hydrogen produsert fra fornybare kilder, samt fra naturgass ^{[3] [4]} med CO₂ kombinert med brenselceller som en forurensningsfri energiteknologi.

Et brannteknisk institutt vurderte i 2016 at mer forskning er nødvendig om brann i hydrogenbiler.^[5][6][7]

Det finnes flere forskjellige brenselcelleteknologier, de mest sentrale er:

• PEMFC – Protonutvekslende membran brenselcelle (Proton Exchange Membrane fuel cell), elektrolytt er typisk en sulfonert PTFE basert fluorpolymer (Nafion)
• SOFC – Fast oksid brenselcelle (Solid oxide fuel cell), elektrolytt O3, temp 850 °C
• MCFC – Flytende 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

Teknologiene har forskjellige fordeler og ulemper og vil ha forskjellige anvendelser i fremtiden.

Flere bedrifter og universiteter i Norge er involvert i brenselcelleutvikling. Et nasjonalt utviklingsprosjekt for brenselceller ombord i skip, kalt FellowSHIP, administreres siden 2003 av Innovasjon Norge og Norges forskningsråd, med deltakelse fra DNV GL Group, Eidesvik AS, Wärtsila med flere. Målet er å utvikle skipsmotorer med en effekt på 330 kW basert på brensel av naturgass (LNG).

I Bergen har Prototech AS egne programmer for å utvikle små SOFC anlegg for kombinert elektrisitet- og varmeproduksjon for bolig og industri. Det første pilotanlegget blir i disse dager (2007) testet ut på Kolsnes utenfor Bergen. Prototech har også et program for reversible PEM brenselceller som kan produsere hydrogen fra fornybare energikilder når de leverer overskudd, for så å produsere ekstra strøm når primærkilden ikke leverer nok.

Eidesvik AS på Bømlo har et eget program for å utvikle brenselceller til bruk i skipsfart. Dette kan så godt som fjerne NOX-utslippene fra klodens største NOX kilde.

Ved Universitetet i Agder i Grimstad finnes også god kompetanse på brenselceller. De har hatt et anlegg for elektrolyse av vann i Energiparken på Dømmesmoen, den er nå inne til utbedring.

Sintef og NTNU i Trondheim har i lengre tid hatt flere prosjekter knyttet opp mot PEM brenselceller hvor man blant annet har utviklet nye katalysatorer med forbedret aktivitet og levetid. Sintef er svært aktive i europeiske brenselcelleprosjekter og koordinerer også flere av disse.

Prinsippet med brenselceller ble oppdaget av den tyske vitenskapsmannen Christian Friedrich Schönbein, da han arbeidet med ozon og reaksjonen mellom hydrogen og oksygen. Dette ble publisert i en av datidens vitenskapelige tidsskrifter i januar 1839.^[8]

Bare én måned senere, i februar 1839, publiserte den walisiske vitenskapsmannen og advokaten Sir William Robert Grove sine observasjoner av oppfinnelsen han kalte "gas voltaic battery" i Philosophical Magazine and Journal of Science.^[9] I 1842 ble skissene publisert i den samme journalen.^[10] Brenselcellen han laget brukte samme materialer som dagens fosforsyrebrenselcelle.

• Hydrogeninfrastruktur
• Carnotprosess

• (en) Fuel cells – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• (en) Fuel cell – galleri av bilder, video eller lyd på Commons

Slik virker en brenselcelle - artikkel og animasjon fra forskning.no 6.3.14