I artikel 1 blev brændselscellens generelle virkemåde gennemgået. Det er dog muligt at skelne mellem forskellige typer brændselsceller, som hver især benytter forskellige materialer, arbejder ved forskellige temperaturer og bruger forskelligt brændstof. Det er formålet med denne artikel at gennemgå typerne af brændselsceller og redegøre for deres forskelle, fordele og ulemper. Brændselscellerne kan naturligvis inddeles i grupper på forskellig vis, men det er sædvanligt at gøre det efter elektrolytten benyttet i cellen (som omtalt i artikel 1 er elektrolyttens funktion at sørge for proton overførsel mellem elektroderne, men samtidigt være elektrisk isolerende). De sædvanlige grupperinger er Proton Exchance Membrane Fuel Cell (PEMFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Alkaline Electrolyte Fuel Cell (AFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) og Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC). De to første (PEMFC og SOFC) er dem, som der i Danmark forskes intensivt i og dem, som ser mest lovende ud. Derfor vil hovedvægten i denne artikel ligge på disse. Indledningsvist gennemgås de forskellige typer af brændselsceller og til sidst gives en sammenligning og et overblik og deres fordele og ulemper. Den første brændselscelletyper anses for at have stort potentiale som fremtidig energileverandør i biler, busser og andre transportmidler.
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)PEM-brændselcellen er, som fortalt, en af de typer, som viser stort potentiale. Dens virkemåde er relativ simpel og kan let forklares ud fra teorien gennemgået i artikel 1. Som elektrolyt benytter man en såkaldt membran af en polymer af organiske kemikalier, som er elektrisk isolerende. Den mest velkendte membran fremstilles af Dupont og kaldes Nafion®. Nafion er egentligt blot varemærket på hvad, der er en videreudvikling af det velkendte Teflon®, som langt de fleste kender fra stegepanders slip-let overflade. Teflon® har den kemiske betegnelse polymer[1] (PTFE) på figur 1 ses både den kemiske struktur vist på to foskellige måder.
Figur 4.1 - PTFEs struktur vist som streg formel (til venstre) og med interaktionsradier (til højre)
De lange kæder som Teflon består af vil sno sig imellem hinanden, lidt ligesom i en skålfuld kogte nudler. Desuden er Teflon hydrofobt[2] og således vil Teflon altså skye al vand fra sig.
Opgave 4.1
Hvorfor hedder Teflon også PTFE? Begrund svaret.
|
Nafion dannes ved at skabe en såkaldt copolymer[3] af PTFE og en sulfonsyregruppe – et eksempel på strukturen i Nafion-polymeren ses på figur 4.2.
F igur 4.2 - Et ekspempel på en struktur af Nafion. Bemærk, at der kan være forskelligheder.
Som det ses på figuren er sulfonsyregruppen ionisk bundet til polymeren og som bekendt er sulfonsyre hydrofilt, hvilket kendes fra svovlsyre (H3SO4), som er ekstremt vandsugende. Sammensætningen af den vandskyende "Teflon-streng" og de vandsugende "udstikkere" er præcis det, dér gør tricket i Nafion-membranen. Der mindes her om, at membranen ikke blot skulle være elektrisk isolerende, men også protonisk ledende. Ved at lade membranen suge nok vand op, dannes der så mange, store lommer omkring sulfonsyregrupperne, at protonerne kan bevæge sig frit igennem membranen. På figur 4.3 er strukturen illustreret.
Figur 4.3 - Nafions struktur som elektrolyt.
På figuren er de lange sorte strenge kæderne af teflon-strukturen med sulfonsyregrupperne stikkende ud som de røde bolde. Vandmolekylerne (lilla bolde) ligger i lommer i denne struktur og protonerne (blå bolde) kan bevæge sige fra rundt i strukturen.
Der er dog ulemper ved Nafion-membranen: For at den skal fungere godt i en brændselscelle skal den være konstant højt befugtet. Et af problemerne med dette er, at arbejdstemperaturen på cellen er nødt til at være under 100 °C – vands kogepunkt ved standardtryk. Den relativt lave temperatur betyder langsommere reaktionshastigheder og derved en lavere effekt. Omkring nafion-membranen trykkes to elektroder fast, katoden og anoden. Disse er typisk lavet af en blanding af aktivt kulstøv og fine platinpartikler. Sædvanligvis blander man kulstøvet og platinen og "smører" eller sprayer det på papir eller stof lavet af kulstof. Elektroder er porøse, således af gasserne (hydrogen og oxygenen) kan passere igennem dem ind til plantinpartiklerne, som sørger for at katalysere reaktionerne. Kulstoffet er elektrisk ledende og kan således fragte elektronerne ud til ledninger, der aftager strømmen. Hele denne sammensætning af elektroder og membran kalder man typisk for en MEA (Membrane Elektrode Assembly).
Den danske virksomhed IRD Fuel Cells benytter primært Nafion-membraner i deres produkter.
Der findes andre PEMFC-membraner end Nafion og særligt en af dem forskes der i på Danmarks Tekniske Universitet. Istedet for Nafion benytter man en anden polymer kaldet PBI (polybenzimidazol) – den kemiske struktur ses på figur 3. Som det ses har PBI en ganske anderledes struktur end Nafion, og den er endda ikke protonisk ledende. Dette opnås ved at "dope" den med phosphorsyre, hvorved de tilføjede H+-ioner kan bevæge sig langs PBI-strengene og derved lede protoner gennem membranen. På grund af phosphorsyreindholdet har brændselscelletypen ligheder med Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), men udtrykket er ikke helt dækkende og beskriver en anden teknologi som gennemgås senere. I dag benyttes oftere High Temperature PEMFC, fordi PBI-membranen ikke kræver temperaturer under 100 C for at lede protoner og derved kan operere ved højere temperaturer. Typisk lader man en PBI-brændselscelle arbejde ved 160 C af hensyn til membranens mekaniske stabilitet.
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)"Fastoxidbrændselscelle" er vist det nærmeste man kommer på en direkte oversættelse af udtrykket. SOFC har ikke nogen polymermembran, men benytter i stedet et lag af zirconiumoxid (ZrO2) som elektrolyt. Zirconiumoxid har den behagelige egenskab, at det bliver oxidionledende (O2-)[4] ved høje temperaturer. Huskes tilbage på artikel 1, blev hydrogen i den generelle brændselscelle spaltet i elektroner og protoner, som blev sendt hver sin vej over til katoden, hvor de mødtes med oxygenet og dannede vand. Sådan fungerer SOFC bare ikke helt! Figur 4 forklarer en del. I en SOFC får hydrogenet også fjernet sine elektroner, som suser ud i det elektriske kredsløb. Tilbage står et par protoner – de kan ikke bevæge sig igennem elektrolytten, for den leder ikke protoner. Til gengæld leder den oxygenioner og da der dannes oxygenioner ved katoden ved mødet med de ekstra elektroner er cirklen komplet. For at stabilisere elektrolytten tilføjes typisk en lille mængde af yttria (Y2O3).
Figur 4.4 - Skematisk tegning af en SOFC
Elektroderne i SOFC er noget mere komplicerede. Man benytter typisk et nikkelskelet kombineret med yttriastabiliseret zirconiumoxid (som benyttet til elektrolytten) til anoden. Til katoden benyttes ofte strontium-dopet lanthanum manganite, hvilket i og for sig blot er et keramisk materiale.
En af de helt store fordele ved SOFC er, at komponenterne kan arbejde under høje temperaturer og derfor arbejder en SOFC typisk ved op mod 1100 C. Dette har en lang række positive konsekvenser, hvilke der ses nærmere på senere. Teknologien viser virkeligt stort potentiale idet brændselscellen faktisk kan fødes direkte med de fleste brændstoffer, herunder methanol, dimethylether, methan (naturgas) og mange flere. Hvor andre brændselscelleteknologier ofte kræver meget rene og helt specifikke brændstoffer, er SOFC altså langt mere fleksibel.
Alkaline Electrolyte Fuel Cell (AFC)AFC’erne er den type brændselsceller, som først blev effektivt benyttet. De fik for alvor omtale, da NASA begyndte sine missioner til månen og Neil Armstrong tog det berømte lille skridt. Apollo-missionernes rumkapsler fik strøm fra tre alkaliske brændselsceller, som hver maksimalt kunne levere 1,42 kWh, drikkevand til besætningerne og samtidig være pålidelige nok til rumfart[i]. AFC’erne benytter hydroxidioner (OH-), som ladningsbærer, i modsætning til PEMFC og SOFC, som bruger henholdsvis protoner (H+) og oxidioner (O2-). Heraf kommer også navnet, idet elektrolytten er basisk (alkalisk) på grund af de mange hydroxidioner. Ved benyttelse af hydrogen som brændsel, ser anodereaktionen ud som vist i ligning 4.1 og katodereaktionen ser ud som vist i ligning 4.2.
(4.1)
(4.2)
Som det ses, er det hydroxidionerne, der bærer ladningen mellem elektroderne. AFC produceres og benyttes stadig i stort omfang i dag (blandt andet i NASAs rumfærger) fordi de har en række fordele: De er væsentligt billigere end andre brændselscelletyper, designet og driften er relativ simpel. Et af kerneproblemerne ved cellerne er, at de kræver meget rene brændstoffer – indeholder oxygenet (el. luften) eksempelvis carbondioxid (CO2) reagerer denne med hydroxidionerne under dannelse af carbonater (typisk K2CO3), som blandt andet blokerer elektrolytten og sætter sig i porerne på elektroderne og sænker derved effekten drastisk. Af denne grund ses de i rumfarten, hvor man medbringer tanke med både brændstof (hydrogen) og oxidant (oxygen).
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)MCFC’erne benytter, som navnet hentyder, en smelte af forskellige carbonater som elektrolyt. Ved relativt høje temperaturer (600-700 °C) bliver smelten carbonation-ledende og så ser anodereaktionen ud som vist i ligning 4.3 og katodereaktionen ser ud som vist i ligning 4.4.
(4.3)
(4.4)
Som det ses er det carbonationerne, som overfører ladningen i elektrolytten. Endvidere benyttes to mol carbondioxid ved katoden, mens der dannes to mol ved anoden. Som regel udnytter man dette ved at lade udgangsgasserne fra anoden og kold luft passere gennem en brænder for at forbrænde det resterende hydrogen og derefter føre det ind i katoden. Dette har den fordel at den kolde luft bliver opvarmet og at carbondioxiden bliver genbrugt. En klar fordel ved MCFC’erne er, at man på grund af reaktioerne ikke behøver sjældne metaller til katalysatorerne – sædvanligvis benyttes nikkel og nikkeloxid. Dette reducerer udgifterne, men har også det problem at nikkel kan opløses i carbonat-smelten. Der er flere andre problemer med MCFC-teknologien, som vi ikke vil komme ind på her, men blot nævne, at opstart og nedslukning af en MCFC er en besværlig og langsommeligt proces og dette er en af grundene til, at forskningen i brændselsceller ikke koncentrerer sig om MCFC i væsentlig grad.
Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC).Som tidligere nævnt findes der PEMFC’er, der benytter phosphorsyre. Dette gjorde PAFC’erne længe før PEMFC’erne og virkemåden er da også præcis den samme: Der benyttes de samme elektroder med de samme elektrodereaktioner og det er præcis de samme ioner, der bærer ladningerne gennem elektrolytten. I stedet for at opsuge phosphorsyre i en membran af eksempelvis PBI, benytter man i stedet en siliciumcarbid-struktur med PTFE (Teflon®) i for at holde på phosphorsyren. Der er dog flere problemer i dette: Phosphorsyren fryser ved 42°C og derfor vælger man ofte at lade brændselscellen køre ved en højere temperatur. Desuden fordamper phosphorsyren langsomt og således er det nødvendigt med at ekstra reservoir eller påfyldninger.
SammenligningSom det sikkert er bemærket gennem denne artikel er der en lang række af forskellige brændselscelletyper og de har hver især deres fordele og ulemper. Men dette er jo ikke så forskelligt fra så mange andre teknologiområder: Fyret ude i landdistrikterne benytter måske brændselspiller, mens fjernvarmeværket i byen bruge olie og Avedøreværket benytter kul og halm til at fyre med. Der er et utal af forskellige teknologier og hver gang man skal konstruere et produkt, må man vælge den teknologi, der bedst passer ind. AFC’erne er smarte til rumfart – de er pålidelige, enkle og har en høj effektivitet. De kræver dog virkeligt rent brændstof, men det er ikke noget problem i rumfarten, fordi man arbejder på nogle helt andre præmisser og økonomiske rammer. PEMFC’en kan bygges lille og kan startes virkeligt hurtigt op, men kræver pumper etc. til at sørge for at vandindholdet i cellen er på det rigtige niveau. SOFC’er kan benytte nærmest hvilken som helst brændstoftype man føder dem med, de er relativt effektive og kræver ikke så meget finjustering. Men med en arbejdstemperatur på op imod 1000C er det nok ikke dén man benytte som promær energikilde i bilen – med mindre man vil vente på at den varmer op! Dog har de jo en god plads som strømforsyninger, der kører i længere tid eller som sekundære strømforsyninger. De kan vise sig at være fantastiske, som erstatning for fyret derhjemme, som turbinen på kraftværket eller måske som ekstra strømforsyning til lastbiler, der holder på hvileplads el. lign.
Pointen er, at alle teknologierne har deres fordele og ulemper og det er op til ingeniøren at udvide fordelene, mindske ulemperne og vælge den rigtige teknologi til produktet.
[1] Polymer er den kemiske betegnelse for stoffer, som er sammensat af lange kæder af molekyler, ofte organiske.
[3] Copolymer er en polymer, skabt af to forskellige polymerer.
[4] Bemærk, at oxygen laver forskellige ioner: Oxidion (O 2-), Peroxidion (O 22-) og Superoxidion (O 2-). Disse må ikke forvekles!
[i] National Aeronautics and Space Administration. Apollo Program Summary Report. Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas, 1. edition, 1975
|