Brenselceller

Toyota FCHV 4 bruker brenselceller.

En full gjennomgang av alle kjøretøy som er utviklet blir for omfattende for denne rapporten, men vi vil i det følgende gå gjennom aktuelle brenselcelletyper og forsøk som er gjort med disse i transportøyemed. Det er verdt å merke seg at en overveldende majoritet av brenselcellekjøretøyer spesielt fra det siste tiåret er bygget med PEMFC. Flere av disse er omtalt i avsnittet om bilprodusentene. Her følger en rask gjennomgang av ulike brenselcelletyper med tanke på bruk i transportsektoren for en grundigere gjennomgang anbefales (Larminie, 2000).

Alkaliske brenselceller (AFC)

KVE (Kombinert varme og elproduksjon)

Kilde: Kruse 2003

Alkaliske brenselceller har vært benyttet i romfergene og i Apollo romprogrammet. Det har også blitt bygget flere kjøretøyer med alkaliske brenselceller. Fordeler med alkaliske brenselceller er at de kan produseres med rimelige materialer, og har høy effektivitet spesielt med rent oksygen og hydrogen.

En stor ulempe med AFC er at de ikke tåler CO2. Dette betyr at dersom det skal benyttes luft må denne renses for CO2. Et CO2 renseanlegg med dagens teknologi er ganske plasskrevende. En brenselcellebuss med AFC ble bygget i Belgia i 1995. Produsent av brenselcellene var Elenco. Senere bygget Zevco en taxi og en mindre lastebil med alkaliske brenselceller basert på Elencos teknologi. I taxien var en stor del av kabinen opptatt av CO2 renseanlegget. Zevco er i dag er etter de opplysningene vi sitter inne med konkurs. Lada bygget en prototype med alkaliske brenselceller som ble presentert i 2001. En ny prototype med AFC ble vist i 2003, denne hadde en brenselcellestakk på 90 kW og oppgitt kjørelengde på 350 km.

Fast oksid brenselceller (SOFC)

Som navnet tilsier består elektrolytten i SOFC av et oksid, vanligvis ytteriastabilisert zirkonia. SOFC opererer ved temperaturer opp mot 1000 grader og er godt egnet for kraftgenerering. SOFC bruker lang tid på å starte opp og det er usikkert hvor godt teknologien tåler hyppige start og stopp lik det en privatbil utsettes for. Det medfører store temperatursvingninger og gir materialstress. Med dagens teknologi regnes teknologien som mindre aktuell for fremdrift av mindre kjøretøy.

BMW har sammen med bilkomponentprodusenten Delpi et utviklingssamarbeid innen SOFC for bruk i ordinære bensinbiler. Meningen er at den bensindrevne SOFC enheten skal sørge for strøm til det elektriske anlegget i bilen og kunne erstatte bilbatteriet. Dette skal i følge BMW kunne gi en reduksjon av bilens totale drivstofforbruk.

Karbonatsmelte brenselceller (MCFC)

MCFC ble konseptuelt utviklet i 40-årene og demonstrert i 50-årene.

Utviklingen innen MCFC har gått sakte, men den er nå i kommersielt salg. To sentrale selskap her er FuelCellEnergy og Motoren und Turbinen Union. Det finnes i dag flere store stasjonære MCFC-installasjoner, men det har vært betydelige materialproblemer knyttet til denne brenselcelletypen. Dette skyldes blant annet at elektrolytten er svært korrosiv. MCFC er i likhet med SOFC en høytemperatur brenselcelle som egner seg best for jevn drift uten mange kaldstarter da dette gir økt materialstress (Blomen 1994 og MTU 2001). Lang oppstartstid gjør den også mindre egnet for små kjøretøy.

Fosforsyrebrenselceller (PAFC)

En brenselcelletype som opererer ved litt lavere temperatur enn MCFC og SOFC er fosforsyrebrenselceller. En 220 kW stasjonær enhet ble kommersialisert av International Fuel Cells (nå UTC Fuel Cells) i 1994 og det er solgt mer enn to hundre slike enheter. Disse har samlet hatt en driftstid på flere millioner timer. Det ble i 1998 bygget en brenselcellebuss med en 100 kW fosforsyre brenselcellestakk fra International Fuel Cells med metanol som drivstoff. Fosforsyrebrenselceller har relativt lav virkningsgrad (35-45%) sett i brenselcellesammenheng og er nok ikke den brenselcelletypen det nå drives mest utviklingsarbeid på.

Protonbytte membran brenselcelle (PEMFC)

Protonbytte membran brenselcelle (PEMFC)

PEMFC kalles ofte også for fastpolymer brenselceller (SPFC). Dette er et mer korrekt navn, men vi bruker her PEMFC fordi det er den benevnelsen som er best innarbeidet. PEMFC brenselceller ble hovedsakelig utviklet av General Electric (GE) i perioden 1959-82. Ballard begynte å utvikle PEMFC i 1983 og har siden betydd mye for utviklingen av PEMFC etter at GE la ned sitt brenselcelleprosjekt. Utviklingen av bedre membraner, redusert behov for platina som katalysator og bedre vannhåndtering har gjort PEMFC til en ledende brenselcelleteknologi.

Elektrolytten i en PEMFC består av et lag med fast polymer som tillater protoner å bli overført fra en side til en annen. PEMFC opererer ved lav temperatur, noe som gjør den godt egnet til å forsyne et hus med strøm og varme. Til transportformål og mobil kraftforsyning er PEMFC overlegen batterier og de andre brenselcelletypene. Først og fremst er PEMFC lette og robuste. At elektrolytten er av et fast stoff gir også god sikkerhet. PEMFC responderer raskt på endringer i last, en egenskap som bidrar til god akselerasjon i et kjøretøy. PEMFC-teknologien skal også egne seg godt for masseproduksjon. En ulempe er bruken av platina som katalysator, men innholdet av platina har blitt kraftig redusert. Degradering av membranene er et annet problem. PEMFC tåler CO2, men CO derimot ødelegger brenselcellen og kravet til hydrogenrenhet er derfor høyt.

Noen sentrale utviklere av PEMFC er ved siden av Ballard, Toyota, UTC Fuel Cells, Nuvera, Plug Power og Honda. Flere bilprodusenter har et omfattende utviklingsarbeid på gang med denne brenselcelletypen og flere prototyper er omtalt nedenfor.

Direkte metanol brenselcelle (DMFC) er egentlig en PEMFC som er modifisert for å kunne drives på flytende metanol uten å gå veien om en reformer. Det ser ut som det vil bli kommersialisert en del bærbar elektronikk som baserer seg på strømforsyning fra DMFC i de nærmeste årene. En liten gocart ble demonstrert av Ballard/Daimler Chrysler i 2000. Brenselcellestakken var på 3 kW og topphastigheten var 35 km/t, men trolig er ikke energitettheten i slike brenselceller med dagens teknologi høy nok til at den kan benyttes i større kjøretøy på en praktisk måte.

Elektrisiteten skapes ved at hydrogen strømmer gjennom brenselscellen på anodesiden av membranen (PEM), mens oksygen strømmer igjennom på den andre siden (katodesiden). Membranen holder oksygenet og hydrogenet atskilt fra hverandre, og kontrollerer dermed den kjemiske reaksjonen. I tillegg til å skille oksygen og hydrogen fungerer membranen som en katalysator, som øker hastigheten på reaksjonen som splitter hydrogenet inn i elektroner og protoner.

Strømmen utvikles så ved at protonene trenger seg gjennom membranen, mens elektronene blir igjen. Overskuddet av negativt ladede partikler samles ved anoden, mens overskuddet av positivt ladde elektroner samles ved katoden. Deretter føres strømmen ut av brenselscellen. Ved å samle flere celler i en såkalt "stack" kan man utvikle nok elektrisitet til å drive for eksempel en elektromotor som har energi nok til å drive en bil.

Biproduktet av den kjemiske reaksjonen som oppstår i brenselscellen er vann.