Bränsleceller

Bränsleceller
Av: Simon Marklund
EE1a Kaplanskolan Skellefteå
Innehållsförteckning:
Historian bakom bränslecellen.......................................Sid 2-3
Hur utvinner man energi från bränsleceller?..................Sid 4-6
Vilka energiomvandlingar sker?.....................................Sid 7
Hur miljövänlig är bränsleceller?....................................Sid 8-9
Nackdelar och fördelar med bränsleceller.......................Sid 10-12
Användningsområden för bränsleceller..........................Sid 13-15
Bränslecellens framtid....................................................Sid 16
Källförteckning..............................................................Sid 17-18
Historian bakom bränslecellen.
Fuelcelltoday skriver att den allra första teorin om bränslecellens
funktion visades år 1801 av Humphry Davy. Men den allra första
bränslecellen tillverkades år 1839 och uppfanns av Sir William Grove.
Termen bränslecell användes första gången år 1889 av Charles Langer
och Ludwig Mond. Dem utförde olika sorts experiment på
bränsleceller. År 1959 visades en bränslecell som hade används i
NASA:s rymdprogram till att tillhandahålla med elkraft och
dricksvatten till rymdfärjan. Men intresset för bränslecellen försvann
efter NASA:s rymdprogram ända till 1990-talet då utvecklingen och
forskningen började leda till utsikter mot kommersialisering(Handel)
med bränsleceller. Men behovet efter av en förnybar energikälla har
stimulerat enormt tekniska framsteg på detta område under det senaste
decenniet.
Bild 1.
Hur utvinner man energi från bränsleceller?
På Fuelcelltodays hemsida så beskriver dom funktionen och
uppbyggnaden på sex stycken olika bränsleceller.
En av bränslecellerna som Fuelcelltoday beskriver uppbyggnaden på
är en Membran bränslecell protonutbyte (PEMFC bränslecell) och
denna bränslecell är den vanligaste bränslecellen man använder runt
om i världen. PEMFC bränslecellen är uppbyggd av olika
komponenter som består av olika material. PEMFC bränslecellen är
uppbyggd av en elektrolyt och en elektrolyt är placerad i mitten av
bränslecellen och det är ett ämne som kan leda ström då det
innehåller laddade joner. Elektrolyten har även en förmåga att dra till
sig joner och elektrolyten är placerad mellan två elektroder. Den ena
elektroden är positivt laddad och heter katod och den andra
elektroden är negativt laddad och heter anod. Katalysatorerna är
placerad mellan elektroderna och elektrolyten. Katalysatorn
accelererar reaktionerna vid elektroderna och fördelar bränslets
protoner från elektronerna.
Fuelcelltoday skriver när man utvinner energi från PEMFC
bränslecellen så tillför man Vätgas(H2) och Syre(O) som är bränslena
till denna bränslecell. Vätgasen förs till Anoden där den kemiska
reaktionen oxidation uppstår och oxidation är en kemisk reaktion
där vätemolekylerna avger sina elektroner. Katalysatorn som är
placerad vid Anoden fördelar protonerna från elektronerna. Efter att
katalysatorn har fördelat elektronerna från protonerna så färdas
elektronerna genom en extern krets och då produceras elektricitet.
Elektricitet är elektroner i rörelse och när elektronerna har fördelats
från protonerna så blir Väte protonerna positiva Vätejoner.
Vätejonerna passerar katalysatorn genom elektrolyten. Vid Katoden
reduceras Vätejonerna med elektronerna och reducering menas att
Vätejonerna upptar elektronerna. När reduceringen har skett så
förbinds Vätgasen(H2) med Syret(O) och det bildas Vatten(H2O).
Katalysatorn vid Katoden bildar ånga när Vätgasen och syret
förenas. Avfallet från denna bränslecell är Vatten och överskott av
Vätgas. Vätgasen cirkulerar och används igen.
Simon Marklund. (2015).
Fuelcelltoday beskriver även funktionen och uppbyggnaden av fem
andra bränsleceller. Dessa bränsleceller är uppbyggda på samma sätt
som Membran bränslecell protonutbyte (PEMFC bränslecellen) men
det används inte alltid samma material till dom olika bränslecellerna
men funktionen är densamma. Det används andra bränslen till vissa
av bränslecellerna och det blir även andra utsläpp.
Den direkta metanolbränsleceller (DMFC bränslecell). Bränslena till
denna bränslecell är Metanol och Syre. Avfallen från denna
bränslecell är Koldioxid och Vatten.
Fast oxid bränslecell (SOFC bränslecell). Bränslena som används till
denna bränslecell är Syntesgas och Syre. Avfallen från denna
bränslecell är Koldioxid, Vatten och överskott av Syre.
Alkaliska bränsleceller (AFCS bränslecell). Bränslena till denna
bränslecell är Vätgas och Syre. Avfallen från denna bränslecell är
Vatten och överskott av Syre.
Karbonatbränsleceller (MCFCs bränslecell). Bränslena till denna
bränslecell är Syntesgas, Syre och koldioxid. Avfallen från denna
bränslecell är Koldioxid, Vatten och överskott av Koldioxid, Syre.
Fosforsyra bränsleceller (PAFCs bränslecell). Bränslena till denna
bränslecell är Vätgas och Syre. Avfallet från denna bränslecell är
Vatten och överskott av Vätgas.
Vilka energiomvandlingar sker?
Denna fakta om bränslecellernas energiomvandlingar kommer från
mina egna lärdomar men det är även skrivet i Energiteknik 1
faktaboken. En bränslecell omvandlar kemisk energi till elektrisk
energi och värmeenergi. Exempel från PEMFC bränslecellen:
Vätgasen den Kemiska energin förs till Anoden där den kemiska
reaktionen oxidation uppstår och oxidation är en kemisk reaktion där
vätemolekylerna avger sina elektroner. Katalysatorn som är placerad
vid Anoden fördelar protonerna från elektronerna. Efter att
katalysatorn har fördelat elektronerna från protonerna så färdas
elektronerna genom en extern krets och då produceras elektrisk
energi för elektricitet är elektroner i rörelse. När elektronerna har
fördelats från protonerna så blir protonerna positiva Vätejoner.
Vätejonerna passerar katalysatorn och genom elektrolyten. Vid
Katoden reduceras Vätejonerna med elektronerna och Vätgasen
förbinder sig med syret och reducering menas att Vätejonerna upptar
elektronerna. Katalysatorn vid Katoden bildar Värme energi och
ånga när Vätgasen förbinds med Syret.
Hur miljövänlig är bränsleceller?
Fuelcelltoday skriver om dem sex stycken bränslecellernas utsläpp.
PEMFC bränslecellens utsläpp är vatten och överskott av Vätgas
och överskotts Vätgasen recirkulerar och används igen. Det enda
miljöfarliga med denna bränslecell är produktionen av Vätgasen
som är ett av bränslena till bränslecellen.
DMFC bränslecellens utsläpp är Koldioxid och Vatten så denna
bränslecell är miljöfarlig på grund av utsläppen av Koldioxid som är
den stora påverkan på den globala uppvärmningen. Men bränslet
Metanol är inte så miljövänligt som används i denna bränslecell,
SOFC bränslecellens utsläpp är Koldioxid, Vatten och överskotts
Syre. Denna bränslecell är miljöfarlig på grund av utsläppen av
Koldioxid som är den stora påverkan på den globala
uppvärmningen. Ett av bränslet till SOFC bränslecellen är
Syntesgas och det skapas av en blandning av gaserna Kolmonoxid
och Vätgas och produktionen av vätgas är miljöfarlig.
AFC bränslecellens utsläpp vatten och överskott av Syre det som
påverkar miljön är produktionen av Väte för Vätgas är ett av
bränslena till denna bränslecell.
MCFC bränslecellens utsläpp Koldioxid, Vatten, Överskott av
Koldioxid och överskott av Syre som recirkulerar och används igen.
Koldioxid som är den stora påverkan på den globala uppvärmningen.
Ett av bränslet till MCFC bränslecellen är Syntesgas och det skapas
av en blandning av gaserna Kolmonoxid och Vätgas och
produktionen av vätgas är miljöfarlig.
PAFC bränslecellens utsläpp är Vatten och överskott av Vätgas. Det
enda miljöfarliga med denna bränslecell är produktionen av
Vätgasen som bränsle till bränslecellen.
Mina tankar kring produktionen av olika material som används till
olika komponenter i bränslecellerna är miljöfarliga. På grund av att
vid utbrytning av materialen så används fordon som förbränner t.ex
Fossila bränslen som släpper ut Koldioxid. Koldioxid som är den
stora påverkan på den globala uppvärmningen. Men även vid
produktionen av dem olika komponenterna som används till
bränslecellen har en miljöpåverkan vid t.ex Koldioxid utsläpp. Även
produktionen av vissa bränslen som används till bränslecellerna är
miljöfarliga t.ex. Vätgasen. Av dom sex olika bränsleceller så har
vissa bränsleceller olika mycket miljöpåverkan. Så man måste
försöka göra produktionen och utbrytningen av olika material mer
miljövänliga. Men även bränslena till bränslecellerna t.ex Vätgas.
Nackdelar och fördelar med bränsleceller.
Energinätverk skriver att nackdelar med bränsleceller är
produktionen av dem olika bränslena som används till dem olika
bränslecellerna. De bränslen som har en miljöpåverkan vid
produktionen är Vätgas som är en av bränslena som används i
PEMFC, AFC och PAFC bränslecellerna. Även Syntesgas som är en
av bränslena som används SOFC och MCFC bränslecellerna har en
miljöpåverkan vid produktionen. Metanolen som är en av bränslena
som används som bränsle i DMFC bränslecellen har en
miljöpåverkan vid produktionen så man måste effektivisera
produktionen av dem olika bränslena till bränslecellerna så att
miljöpåverkan vid produktionen minimeras. Bränsleceller har väldigt
kort livslängd så man måste öka livslängden på bränslecellerna och
kostnaden för bränsleceller är ännu för högt och det är tack vare dem
dyra materialen som används i dem olika komponenterna i
bränslecellen. En av orsakerna att vissa bränslecellerna är så dyra är
för att Platina används som katalysatorn. Platina anses vara den
dyraste av alla kommersiellt tillgängliga metaller. Storleken på
bränslecellerna är en nackdel för dem är större än motsvarande
batterier och motorer.
Fuelcelltoday skriver även om vissa specifika nackdelar som vissa
bränsleceller har.
PEMFC bränslecellens arbetstemperatur ligger under 100 grader
Celsius och elektronerna är ädelmetallbaserade så då måste Vätet
som används som bränslet vara rent.
SOFC bränslecellens höga arbetstemperaturen som ligger runt 800ºC
till 1000 ° tack vare den höga arbetstemperaturen så tar det längre tid
att starta upp cellerna och att uppnå arbetstemperaturen.
Bränslecellen måste vara konstruerad av robusta och
värmebeständiga material och de måste skyddas för att förhindra
värmeförluster.
AFCS bränslecellens arbetstemperatur ligger runt cirka 70ºC. Men de
första AFCS bränslecellernas arbetstemperatur låg runt cirka 100ºC
och 250ºC och elektronerna är ädelmetallbaserade så då måste
bränslet vara rent Väte
MCFC bränsleceller så uppkommer nackdelar vid användning av en
elektrolyt som är ett flytande ämne istället för ett ämne i fast form.
Energinätverk skriver att fördelar med bränsleceller är den höga
verkningsgraden och i Energiteknik 1 faktaboken så skriver dom att
verkningsgraden är närmare 70% av energin man tillför blir till
elektricitet och om man även tar vara på värmen som uppstår under
processen kan verkningsgraden närma sig runt 90%. Energinätverk
skriver att vid arbete så är bränsleceller väldigt tysta men även vid
arbete så har bränsleceller väldigt få rörliga delar i systemet.
Bränsleceller har ingen minneseffekt när dom blir tankade.
Minneseffekt menas t.ex att om batterier inte laddas ut helt innan de
laddas igen så tappar de kapacitet med tiden men bränsleceller har
ingen minneseffekt så dem tappar inte någon kapacitet.
Användningsområden för bränsleceller.
I en rapport som är skriven av Elforsk och Energimyndigheterna så
beskriver dem vars bränsleceller används i världen. I USA används
bränsleceller som extra försörjning vid osäkra energiförsörjningar
och särskilt i nordöstra och sydvästra USA där elnätet har frekventa
problem bland annat på grund av överbelastningar. I USA, Tyskland
och Japan så vill många forskningsinstitut och universitet vara i
forskningsfronten och det är tack vare bränslecellsteknikens
komplexitet. I Japan och Korea så är energipriserna väldigt höga och
i dessa länder så är alla effektiva produkter som producerar el och
värme väldigt intressanta och däribland bränsleceller. I Vissa länder
har bränsleceller placerats ut i större skalor så har det förenats med i
någon form av målinriktat stödprogram. I t.ex. USA så finns det ett
investeringsstöd för de flesta typer av bränsleceller. Det finns ett
mångårigt målinriktat stödprogram i Japan för mindre stationära
bränsleceller. Detta stödprogram i Japan har varit väldigt
framgångsrikt. I Japan och USA används bränsleceller som
kraftvärmeanläggningar på flera bryggerier. Bränsleceller används
även som backup-system på flera sjukhus i USA och Tyskland. Olika
företag runt om i världen försöker ersätta förbränningsmotorn i olika
fordon med bränsleceller för att det är ett miljövänligare alternativ.
Mina tankar kring användningsområdena för bränslecellerna runt om
kring i världen. Är att USA, Tyskland och Japan ligger i täten för
användningen för bränsleceller inom många olika specifika
användningsområden. Om andra länder ser vilka
användningsområden USA, Tyskland och Japan använder
bränslecellen och ser att bränslecellens blir bättre och effektivare så
kanske mer länder satsar på att använda bränsleceller som USA,
Tyskland och Japan har gjort. Desto mer man ökar bränslecellens
användningsområden så utvecklas bränslecellen så att om man
försöker forska fram billigare material att använda till bränslecellens
komponenter. Så att även länderna med sämre BNP kan börja
investera bränsleceller inom olika användningsområden. Det är även
riktigt bra att olika fordons företag försöker ersätta
förbränningsmotorn med bränsleceller för bränsleceller är mer
miljövänlig än en förbränningsmotor.
I en rapport som är skriven av Elforsk och Energimyndigheterna så
beskriver dem vars bränsleceller används i Sverige. I Sverige har
bränsleceller inte haft någon större prioritet. För Sverige har inte
samma problem som måste lösas som t.ex. USA måste lösa. För USA
har problem med frekventa strömavbrott men i Sverige har vi inte
samma problem som USA. I Japan och Korea så är energipriserna
höga och i Sverige är inte energipriserna så höga så Sverige behöver
inte lösa dessa problem som Japan och Korea måste lösa. Tack vare
att Sverige inte har samma problem som andra länder så har inte
bränsleceller haft något fokus hos myndigheter och offentliga
verksamheter och i Sverige har intresset för bränsleceller varit svagt
men situationen kan förändras av flera olika specifika situationer.
Men i i Sverige finns det bränsleceller man kan köpa för att ladda
telefonen eller att använda för privata bruk. Men det finns många
användningsområden man kan använda bränsleceller inom i Sverige
och några exempel är att man kan använda det i fordon till Back up
vid strömavbrott.
Bränslecellens framtid.
Mina tankar om framtidens bränsleceller är att bränslecellens
tillverkningskostnad kommer att sänkas för materialet i
komponenterna som finns i bränslecellerna i dagens nuläge är ännu
för dyra. Man måste forska fram andra material som är billigare än
dagens material och att det nya materialet som forskas fram måste
vara bättre eller ha samma kapacitet som det äldre och dyrare
materialet. Ett exempel på ett dyrt material i bränslecellen är
komponenten katalysatorn som består av materialet Platina. Platina är
den dyraste, kommersiellt tillgängliga metallen. Man har forskat fram
ett billigare alternativ som kan användas som en katalysator. Det är
katalysator har en kärna av en guld- och kopparlegering som täcks av
ett tunt lager platina. Materialet som ska användas till en Katalysator
måste kunna fördela vätgasens protoner och elektroner och även
klarar den sura miljön i bränslecellen. Mina tankar kring vilka
användningsområden bränslecellen kan ha i framtiden är stora. För
bränslecellen i dagens läge har många positiva sidor ex hög
verkningsgrad, Bränsleflexibilitet och medans forskarna förbättrar
bränslecellerna så kommer bränslecellen att förbättras och mer
positiva sidor att framträda. Man kommer kunna använda
bränsleceller till att driva alla sorters fordon.Användningsområdena
för bränsleceller är alltså i det närmaste oändliga. Det stora
genombrottet kommer dock först när man lyckats göra tekniken mer
tillförlitlig
Källförteckning:
Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). History.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/history
Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies PEMFC.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pemfc
Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies DMFC.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/technologies/dmfc
Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies SOFC.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/technologies/sofc
Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies AFC.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/technologies/afc
Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies MCFC.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/technologies/mcfc
Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies PAFC.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pafc
Fuelcelltoday.(Publicerings datum uppges ej). About-fuel-cells
introduction.
URL: http://www.fuelcelltoday.com/about-fuel-cells/introduction
Maria Saxe. 09/11-2012. Bränsleceller. Energinätverk Sverige.
Bengt Ridell. Mars 2010. Användningsområden för bränsleceller.
Elforsk.
Frid Johnny. (2011). Energiteknik 1 Faktabok. Malmö. Gleerups
Utbildning AB.
Bildkällor:
Bild 1.
http://www.fuelcelltoday.com/history
Av: Simon Marklund
EE1a Kaplanskolan Skellefteå