Brændselsceller

En brændselscelle producerer strøm ved hjælp af en kemisk proces. I 1839 forekom den første demonstration af brændselsceller af William Grove. Det var dog ikke før 1960’erne, at udviklingen kom rigtig i gang i forbindelse med rumfarten.

Der findes forskellige typer af brændselsceller. De forskellige typer brændselsceller har blandt andet forskellige anvendelsesformål og bruger forskellige brændsel. Navnene på de forskellige brændselsceller afhænger typisk af det materiale, der benyttes som elektrolyt og de inddeles desuden efter deres arbejdstemperatur.

I Danmark er brugen af brændselsceller især koncentreret om PEM-cellen, som er en lavtemperatur-brændselscelle (80-200 grader) samt fastoxidcellen, som er en højtemperatur-brændselscelle (650-1.000 grader).

Brændselscellerne kan anvendes i transportsektoren, i små kraftvarmeanlæg og i kraftvarmeværker.

Brændselscellen består af en ionledende elektrolyt, som er omgivet af en elektronledende katode og anode. Disse forsynes med henholdsvis iltholdig gas og brændstof. I en kemisk reaktion mellem brændsel og ilt produceres elektricitet og varme. Den eneste emission ved produktionen er vand.

Brændselsceller står stadig over for større udfordringer og de masseproduceres derfor endnu ikke.

Eksterne links/kilder:
Minihydrogen.dk: Brændselscelle-faktaark
Sunwind.dk

Kilde: Berlingske Research. Udarbejdet år 2009, hvorfor oplysninger kan være forældede, og evt. rettelser kan mangle. Få aktuel viden om klima på Berlingske Viden.

Fra SKOLEduel:
Måske vil dit fremtidige hus få elektricitet og varme fra et kraftværk, som producerer elektriciteten ved hjælp af brændselsceller. Måske kommer din bil også til at køre på brændselsceller, som får deres brændstof fra en brinttank i bilen.

En brændselscelle kan i princippet producerer energi ud af alt, der kan brænde. Men når vi taler om fremtidens brændselsceller, så er brint et meget centralt brændsel.

Brint er godt nok ikke nogen naturlig energikilde. Den findes med andre ord ikke frit tilgængelig. Alligevel er den let at få fat i. Vand er for eksempel fuld af brint – det består jo af ilt og brint. Og ved at spalte disse molekyler får man ren brint, som kan bruges i for eksempel brændselscellen.

Når en brændselscelle producerer energi ud af brint og ilt i luften, så er dens eneste affald vanddamp. Hvis en brændselscelle bruger naturgas kommer der også CO2 og små mængder af kvælstofilter og svovl.

To typer brændselsceller
Der er især to typer af brændselsceller, som forskerne arbejder på at udvikle.

• Den ene type fungerer ved temperaturer over 600 grader. Det er såkaldte keramiske SOFC-celler. De er meget effektive, og de kan bruge en bred vifte af brændstoffer, som for eksempel brint, naturgas, biogas og kulgas. De er især velegnede til store kraftvarmeanlæg.
• Den anden form for brændselsceller fungerer ved lave temperaturer på for eksempel 80 grader. Her er der to lovende typer nemlig PEM- og PACF-brændselsceller. De lave temperaturer gør disse brændselsceller velegnede til biler. De kan for eksempel også bruges i mindre kraftvarmeværker. De vil især bruge brint som brændstof.

En svær teknik
Danmark bruger mange penge på at forske i brændselsceller. Forskning i brændselsceller er dyr. Selv om der har været forsket længe, er de største tekniske udfordringer i udviklingen af brændselsceller stadig ikke løst. For eksempel er det stadig dyrt at producere el ved hjælp af brændselsceller. Så spørgsmålet er om det simpelthen er for svær en teknologi at udvikle? Skal vi stoppe eller forske videre i at fremtstille biler og kraftværker til brændselsceller? Eller skal vi bruge pengene på forskning i andre rene energiformer? Er det farligt at køre med flydende brint som brændstof i bilen?

Brint er jo en meget brandfarlig gas. Eller er det mere farligt at lade være med at køre med brint, fordi bilers forurening er langt farligere end brintbilernes? Hvis brændselsceller måske kan erstatte olie-, gas- og kulfyr i fremtiden – er vi så ikke nødt til at forske videre?

Tankeeksperiment: Hvad sker der med brintenergien og brændselscellerne i fremtiden?
Brændselsceller
Danmark er et af de lande, der er langt fremme med udvikling af brændselsceller. Sandsynligvis vil mange af fremtidens brændselsceller komme til at køre på brint. Nå, kører brændselsceller, mon det er biler man tænker på? Men der er stadig en del tekniske forhindringer, der skal overvindes.

Man regner med, at brændselsceller i første omgang vil slå igennem i små bærbare computere eller mobiltelefoner samt i boligen i form af mikrokraftvarmeværker, der kan erstatte naturgas- eller oliefyret.

Måske vil vi i fremtiden se færre store kraftvarmeværker og flere boliger med deres eget lille kraftvarmeværk. Omkring år 2015 vil der sikkert også være flere mellemstore brændselscelleanlæg, som leverer energi til for eksempel hospitaler, lejlighedskomplekser, hoteller og virksomheder.

Omkring 2015-2020 er det sandsynligt, at der er udviklet konkurrencedygtige brændselscelle-anlæg til biler, busser, lastbiler og tog. Ja måske endnu før. I løbet af 2007 vil den danske regering meldt ud, at brintbiler vil blive fritaget for afgifter, så de lettere kan konkurrere med benzin- eller dieseldrevne biler. I Norge fik de den første indregistrerede brintbil i foråret 2007. Det var en ombygget Toyota Prius. Selv om den også var fritaget for afgifter, kostede den 700.000 kr. Så der er endnu et stykke vej, før brintbilen er konkurrencedygtig.

Brintsamfundet
Lagring af brint er stadig en stor udfordring. Brint er et attraktivt brændstof, fordi det er så let at få fat på. Men det er ikke så let at ”tøjle”.

Ikke desto mindre er danske forskere tæt på at have udviklet en metode til at gemme brint i en særlig pille, der lagrer brinten i form af ammoniak (NH3) på en ufarlig og kompakt måde. Det smarte er, at bestemte brændselsceller kan bruge ammoniakken direkte som brændsel. En anden lovende metode er at binde brinten til et pulver af magnesium. Pulveret kan ”tankes” op igen og igen, og det afgiver let brinten, når den skal bruges.

Lyder det som det rene fremtidsmusik? På Island har man faktisk sat sig det ambitiøse mål at være et 100 procent brintsamfund inden år 2050. Og I Californien er der allerede 20 hydrogen tankstationer. Man regner desuden med at åbne omkring 200 brinttankstationer mere inden år 2010. Og herhjemme arbejder “Videnscenter for brint” i Herning blandt andet på at skabe brintbyen H2PIA, hvor brinten skal produceres af vedvarende energi. Så nogle har altså taget meget konkret fat.

Spørgsmål
Skal vi satse på små brændselscelleanlæg til hvert hus, eller skal vi fortsat tænke i større kraftvarmeværker? Skal der være loft for, hvor meget energi vi må bruge i vores huse? Skal der forskes mere i intelligente huse, hvor energiforbruges tilpasses til for eksempel vind og sol udenfor?

Minder om et batteri
Man kan sammenligne en brændselscelle med et elektrisk batteri. De omdanner begge kemisk energi til elektricitet.

Men der er en vigtig forskel mellem et batteri og en brændselscelle. Batteriet er fra starten fyldt med et lager af kemisk energi. Og når det er brugt, er batteriet “fladt” – det vil sige, det dur ikke mere. En brændselscelle har derimod ikke noget lager selv. Den bliver hele tiden forsynet med brændstof fra et lager uden for selve brændselscellen. Derfor bliver brændselscellen ikke flad, så længe den får brændsel fra sit eksterne lager.

Der er forskellige typer brændselsceller.

• De har det til fælles, at de er opbygget med en luftelektrode og en gaselektrode. I nogle brændselsceller laver luftelektroden negative iltioner, som bevæger sig hen til gaselektroden. Her reagerer iltionerne med brinten og danner vand.
• I andre brændselceller sker der en bevægelse af positive brintkerner fra gaselektroden hen mod luftelektroden, hvor luftens ilt reagerer med brinten og danner vand. Begge ”bevægelser” producerer elektricitet.

En enkelt brændselscelle giver ikke meget elektricitet. Derfor skal brændselsceller kobles sammen i stakke for at få mere energi.

Brændselsceller er i øvrigt ikke nogen ny opfindelse. Den første brændselscelle blev allerede opfundet i 1839. De første egentlige brændselsceller blev brugt i rumfart.

Brændselsceller kan også bruge methanol
I fremtiden lader du måske din mobiltelefon, din bærbare computer eller dit kamera op ved at fylde den med brint fra en lille gasflaske.

Mobiltelefoner, bærbare computere og kameraer har nemlig noget til fælles. Det er ret små apparater, og de kræver kun lidt elektricitet. Derfor er de velegnede til at få deres energi fra små brændselsceller, som bruger flydende metanol som brændsel. Det flydende brændsel er let at håndtere, og det kan fyldes på brændselscellerne ligeså nemt, som man fylder gas på en lighter.

Spørgsmål
Hvor mange år vil der gå før alle små apparater kører på brændselsceller? Kan det overhovedet lade sig gøre?

Ordbog
Brændselscelle
En slags batteri, der kan producerer elektricitet ud af brændsler og luft. Brændslet kan i princippet være alt, der kan brænde. En brændselscelle har en høj effektivitet. Det smarte er, at den kan omsætte den kemiske energi direkte til elektricitet uden først at brænde brændstoffet.

Moderne brændselsceller består af en luftelektrode og en gaselektrode. I nogle brændselsceller laver luftelektroden negative iltioner, som bevæger sig hen til gaselektroden. Her reagerer iltionerne med brinten og danner vand. I andre brændselceller sker der en bevægelse af positive brintkerner fra gaselektroden hen mod luftelektroden, hvor luftens ilt reagerer med brinten og danner vand. Begge ”bevægelser” producerer elektricitet.

Processen i en brændselscelle er i øvrigt den modsatte af elektrolyse. Brændselscellen producerer elektricitet. Elektrolysen bruger elektricitet.

Elektrolyse
Ved elektrolyse skiller man stoffer i en væske ved at lede elektricitet i gennem den. De positive partikler bliver fanget på den negativt ladede elektrode. De negative partikler bliver fanget på den positivt ladede elektrode. På den måde kan man skille vand i ilt og brint. Brinten kan så bruges i en brændselscelle, hvor affaldet er vand.

Biosprit
Biosprit – eller bioethanol – er et miljøvenligt brændstof til biler. Biospritten er produceret fra planter. Man kalder også biosprit for ”grøn benzin”.

Brint som energibærer
Brint er en energibærer i modsætning til for eksempel kul, olie og naturgas som er energikilder. Brint skal udvindes fra andre energikilder.

Metanol
En type alkohol, som er farlig at drikke. Metanol fremstilles af biobrændsler, for eksempel ved at opvarme træ. Derfor kaldes metanol også for træsprit.

Kilde: SEAS-NVE