Bränslecellen: el ur gas, utan förbränning
Vätgas in, ström och vatten ut. Men bakom den enkla formeln finns en hel maskin – och därför är bränslecellen inget batteri man bara stoppar in i en elbil.
Tänk dig att du lyfter på motorhuven till en vätgasbil. Där finns ingen motor som arbetar med små explosioner i cylindrar. I stället sitter ett paket av tunna, sammanpressade celler, anslutet till slangar, elkablar och kylning. En kompressor matar in luft. Från bilens trycktankar kommer vätgas. Ur systemet kommer elektricitet, värme och vatten.
Hjulen drivs av en elmotor, precis som i en batterielbil. Skillnaden ligger i varifrån strömmen kommer. Batteribilen bär huvuddelen av sin tillgängliga elektriska energi i ett uppladdat batteri. Vätgasbilen bär huvuddelen av sin energi som bränsle och tillverkar el under färden.
Det är lockande att kalla apparaten ett gasbatteri. Liknelsen fungerar en bit: både batterier och bränsleceller använder kemiska reaktioner för att skapa elektrisk ström. Men en avgörande skillnad gör bränslecellen till en annan sorts maskin.
Ett batteri som matas utifrån
I ett vanligt uppladdningsbart batteri finns de aktiva materialen inuti batteriet. Under urladdning förändras deras kemiska tillstånd. Vid laddning driver tillförd elektricitet reaktionerna åt motsatt håll, inom de gränser batteriets kemi tillåter.
En bränslecell får i stället nytt bränsle och oxidationsmedel utifrån. Så länge tillförseln fungerar, reaktionsprodukterna leds bort och cellen hålls inom rätt arbetsförhållanden kan den fortsätta leverera ström. Den töms alltså inte på samma sätt som ett batteri, även om den slits med användningen.
Batteriet lagrar energi och lämnar tillbaka den. Bränslecellen omvandlar energin i ett tillfört bränsle till elektricitet.
I personbilar används vanligtvis en bränslecell med protonledande polymermembran, ofta förkortat PEM. Den arbetar vid relativt låg temperatur, typiskt omkring 80 grader Celsius, och kan ändra sin effekt snabbare än flera högtemperaturalternativ. Det gör tekniken användbar i fordon.
Bränslet är vätgas. Syret tas normalt från omgivningsluften, så bilen behöver ingen syrgastank. Den sammanlagda reaktionen är enkel: två vätgasmolekyler reagerar med en syrgasmolekyl och bildar två vattenmolekyler. Samtidigt frigörs energi.
Samma grundreaktion kan ske när vätgas brinner. Skillnaden är vägen dit. I en förbränningsmotor blir energin först värme och tryck som sätter mekaniska delar i rörelse. Bränslecellen tar i stället ut en del av reaktionsenergin direkt som elektriskt arbete. Ingen låga behövs.
Vätgasen är dock inte en ursprunglig energikälla i detta system. Den måste först framställas, exempelvis genom att vatten spjälkas med elektricitet. Bränslecellen återvinner inte all den energi som har behövts längs vägen.
Elektronernas omväg driver bilen
För att förstå apparaten behöver vi följa en vätgasmolekyl till den ena elektroden, anoden. Där hjälper en katalysator, vanligen med platina, till att dela molekylen i protoner och elektroner.
Mitt i cellen sitter membranet. Det leder protoner, men ska hindra elektronerna från att passera direkt. Det ska också hålla de två gasströmmarna åtskilda.
Protonerna kan därför ta den korta vägen genom membranet. Elektronerna måste gå runt genom en yttre elektrisk krets. Den rörelsen är strömmen som kan användas för att driva bilens motor, via kraftelektronik.
På andra sidan, vid katoden, möts syre, protoner och elektroner. Där bildas vatten. Katalysatorn underlättar reaktionerna utan att själv vara bränslet, men dess aktiva yta kan försämras med tiden eller störas av föroreningar.
En enskild cell ger låg spänning: ofta ungefär 0,6–0,8 volt under belastning, beroende på konstruktion och driftpunkt. Därför seriekopplas hundratals celler i en stack. Spänningarna adderas, ungefär som när flera battericeller kopplas ihop. Cellernas yta och arbetsförhållanden påverkar hur stor ström de kan leverera.
Mellan cellerna finns plattor med kanaler som fördelar gaserna och hjälper till att leda bort vatten och värme. Det som ser ut som ett kompakt block är alltså ett finmaskigt nät av transportvägar.
Just vattnet är en ständig balansakt. Membranet behöver vara tillräckligt fuktigt för att leda protoner väl. Blir det för torrt ökar motståndet. Samlas för mycket flytande vatten kan gasernas väg till reaktionsytorna blockeras. Vid minusgrader blir kvarvarande vatten dessutom en konstruktionsfråga inför start och avstängning.
Bränslecellen är därför mer än sin stack. Kompressor, pumpar, ventiler, sensorer och kylsystem håller processen i gång. De förbrukar också energi. Stackens elektriska verkningsgrad är följaktligen inte samma sak som hela systemets nettoutbyte, och ingetdera beskriver hela vägen från vätgasproduktion till snurrande hjul.
Måste bränslet vara vätgas?
Nej, men det beror på vilken bränslecell vi talar om. Att byta gas i en vanlig PEM-cell för bilar är inte som att välja en annan dryck till samma glas. Membran, elektroder, katalysatorer och temperatur bestämmer vilka kemiska reaktioner apparaten klarar.
En fordonsanpassad PEM-cell behöver vätgas med noggrant begränsade föroreningar. Kolmonoxid kan exempelvis binda till platinakatalysatorn och blockera reaktionsplatser. Svavelföreningar är också skadliga. Naturgas eller biogas kan därför inte bara kopplas till bilens vätgasledning.
Däremot kan metan, som är huvudbeståndsdel i naturgas och finns i biogas, användas i vissa andra bränslecellsystem. Ofta omvandlas metanet först genom reformering: det reagerar bland annat med vattenånga och ger en gasblandning som innehåller vätgas och kolmonoxid. Ytterligare behandling kan behövas beroende på celltyp.
Fastoxidbränsleceller, SOFC, arbetar vid höga temperaturer, ofta ungefär 600–1 000 grader Celsius beroende på konstruktion. Deras keramiska elektrolyt leder vanligen syrejoner i stället för protoner. De kan utnyttja både vätgas och kolmonoxid som bränsle, och vissa system kan reformera metan inne i eller nära stacken.
Det öppnar för fler bränslen, men ställer andra krav. Uppvärmningen tar tid, materialen måste tåla svåra förhållanden och upprepade temperaturväxlingar kan belasta konstruktionen. Tekniken passar därför ofta bättre för jämn, långvarig elproduktion än för en personbil som ska starta snabbt och växla effekt hela tiden.
Även ammoniak undersöks som bränsle och vätgasbärare. Den kan spjälkas till kväve och vätgas före cellen, och vissa högtemperatursystem kan hantera nedbrytningen i anslutning till cellen. Men ammoniak är giftig, och lagring, materialval och rening kräver egna lösningar. Det är inte ett direkt ersättningsbränsle för en vanlig vätgasbil.
Det finns också direktmetanolbränsleceller. Metanol är en vätska vid rumstemperatur och kan matas till en särskilt utformad cell utan en separat reformer. Sådana system förekommer bland annat för mindre, fristående strömförsörjning. De har andra prestanda och användningsområden än bilarnas vätgassystem.
Svaret är alltså ja: flera bränslen fungerar i bränslecellsfamiljen. Men bränsleflexibiliteten tillhör en viss konstruktion, inte själva ordet bränslecell. Används kolhaltiga bränslen är vatten dessutom inte den enda reaktionsprodukten; även koldioxid bildas.
Kan man byta ut elbilens batteri?
I princip kan en bils elektriska drivlina få sin ström från en bränslecell. Det är redan så serietillverkade bränslecellsbilar som Toyota Mirai fungerar. Men att konvertera en befintlig batterielbil är ett omfattande fordonsprojekt, inte ett vanligt komponentbyte.
Batteripaketet ersätts inte av ett lika stort paket med en annan kontakt. Bilen behöver en bränslecellsstack, vätgastankar, gasreglering, luftförsörjning, kylning och styrsystem. Den behöver också kraftelektronik som anpassar stackens varierande spänning till drivlinans krav.
I personbilar lagras vätgas vanligtvis vid ett nominellt tryck på 700 bar. Tankarna är kraftiga tryckkärl, ofta med kolfiberförstärkning. Till skillnad från ett batteripaket, som kan byggas relativt platt under golvet, har trycktankar normalt rundade former. De kräver plats och måste skyddas vid en kollision.
Vätgas innehåller mycket energi per kilogram bränsle, men tar stor plats som gas. Det är därför missvisande att jämföra enbart vätgasens vikt med batteriets. Tankar och all kringutrustning måste räknas med.
En ombyggnad behöver dessutom lösningar för läckagedetektering, ventilation och säker tryckavlastning. Vätgas är lätt och kan spridas snabbt uppåt i fri luft, men läckor i slutna utrymmen måste hanteras. Säkerheten ligger i hela installationen, inte bara i att tanken är stark.
Och batteriet försvinner normalt inte. Bränslecellsbilar har vanligen ett mindre batteri som hjälper till vid acceleration, tar emot energi vid regenerativ bromsning och jämnar ut skillnaden mellan stackens produktion och motorns efterfrågan. En vanlig fordonsbränslecell kan inte bara köras baklänges för att ta emot bromsenergi och fylla tanken igen.
Två sätt att försörja samma elmotor
En praktisk arbetsfördelning är att låta bränslecellen stå för den uthålliga energiförsörjningen och batteriet hantera snabba effekttoppar. Storleken på respektive del avgör om systemet främst liknar en bränslecellsbil eller en batteribil med räckviddsförlängare.
Fördelen med vätgaslösningen kan vara snabb tankning och möjligheten att bära bränsle för långa körpass. Men nyttan beror på att rätt tankstation finns, att den kan leverera tillräckligt och att fordonets användning motiverar den extra utrustningen.
Batteribilens lösning är enklare i ett viktigt avseende: elektriciteten lagras utan omvägen via vätgasproduktion och senare återomvandling. För en rättvis energijämförelse måste hela kedjan räknas, inte bara bränslecellens verkningsgrad.
Under motorhuven finns alltså ingen universell batteriersättare. Där finns en elektrokemisk generator med särskilda styrkor och tydliga krav. Den eleganta idén är att tvinga elektronerna att ta en användbar omväg. Ingenjörsarbetet är att hålla den omvägen öppen, mil efter mil.
Källor
- U.S. Department of Energy, Fuel Cells
- U.S. Department of Energy, Types of Fuel Cells
- EG&G Technical Services, Inc.; U.S. Department of Energy, Fuel Cell Handbook (Seventh Edition) (2004)
- U.S. Department of Energy, Hydrogen Storage
- Alternative Fuels Data Center, U.S. Department of Energy, How Do Fuel Cell Electric Cars Work Using Hydrogen?
- R. Lan och S. Tao, Ammonia as a suitable fuel for fuel cells (2014)
Ställ frågor om "Bränslecellen: el ur gas, utan förbränning". Svaren bygger på tidningens egna artiklar.
