Bränsleceller. Av: Simon Marklund EE1a Kaplanskolan Skellefteå

Transkript

1 Bränsleceller Av: Simon Marklund EE1a Kaplanskolan Skellefteå

2

3 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 Användningsområden för bränsleceller...sid Bränslecellens framtid...sid 16 Källförteckning...Sid 17-18

4 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.

5 Bild 1.

6 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

7 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).

8 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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.

14 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.

15 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.

16 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.

17 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.

18 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

19 Källförteckning: Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). History. URL: Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies PEMFC. URL: Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies DMFC. URL: Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies SOFC. URL: Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies AFC. URL: Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies MCFC. URL: Fuelcelltoday. (Publicerings datum uppges ej). Technologies PAFC. URL:

20 Fuelcelltoday.(Publicerings datum uppges ej). About-fuel-cells introduction. URL: Maria Saxe. 09/ Bränsleceller. Energinätverk Sverige. Bengt Ridell. Mars Användningsområden för bränsleceller. Elforsk. Frid Johnny. (2011). Energiteknik 1 Faktabok. Malmö. Gleerups Utbildning AB. Bildkällor: Bild 1.

21

22 Av: Simon Marklund EE1a Kaplanskolan Skellefteå