Arbete TD9 Bränslecell

Arbete TD9 Bränslecell 1 INLEDNING Energi- och klimatoron har under 2000-talet ställt välfärdssamhället inför en betydande utmaning: elproduktionen måste bli effektivare och renare. En av de mest lovande metoderna är bränsleceller som har en hög verkningsgrad och vanligen små utsläpp. Bränslecellen är en rätt så gammal uppfinning. År 1839 tillverkade amatörvetenskapsmannen Sir William Grove den första fungerande bränslecellen. Utceklingen av denna fick dock vänta i över hundra år då ångmaskiner och förbränningsmotorer blev populära. Drivna av rymdkapplöpningen lyckades NASA på 1960-talet skicka upp en farkost i omploppsbanan som använde en polymerelektrolytcell. På 2000-talet har polymerceller utvecklats för användning i många tillämpningar som t.ex. bilar och mobiltelefoner. Som bränsle för en bränslecell passar bland annat metanol och vätgas som båda har en hög energidensitet. Båda är dock lättantändliga ämnen och metoderna för att framställa och lagra stora mängder av framför allt vätgas begränsar ännu det slutliga genombrottet. I det här arbetet analyseras polarisationskurvan för en liten polymercell på 600 mw som fungerar på vätgas och dess verkningsgrad räknas ut. Vätet som behövs framställs med en separat elektrolysapparatur. Målsättningen är att så klart som möjligt beskriva grundegenskaperna för en bränslecell och en strömkrets. 2 TEORI Bränslecellen är en elektrokemisk konverter som producerar elektricitet genom en kemisk reaktion mellan ett bränsle och ett oxidationsmedel. Samtidigt frigörs värme och som biprodukt dessutom koldioxid om bränslet innehåller kol. Cellen består av två ledare som fungerar som reaktionsunderlag, en katod och en anod, samt elektrolyten mellan dessa. Vid anoden oxideras bränslet och vid katoden reduceras syret. Då cellens kopplas som en del av en strömkrets kan elektroner som strömmar från den ena elektroden till den andra längs en ledning användas för elektriskt arbete. Elektrolyten 1

kompletterar strömkretsen och möjliggör den för cellens funktion nödvändiga strömmen av joner från en elektrod till den andra. Typexemplet för strukturen på en bränslecell är vätebränslecellen. Anoden och katoden är klädda med platina för att katalysera följande elektrodreaktioner: (1) Anod: H2 (g) 2 H + + 2 e - ; E = 0,00 V (2) Katod: O2 (g) + 4 H + 4 e - 2 H2O; E = 1,23 V Genom att balansera elektronerna i reaktionslikheterna (1) och (2) samt genom att sammanslå dem fås reaktionslikheten för totalreaktionen (3) H2 (g) + ½ O2 (g) H2O; E = 1,23 V Den maximala spänningen man i teorin kan få ur en vätecell är 1,23 V. I praktiken kommer spänningen ändå att vara kring 0,7 V på grund av olika förluster. Genom att koppla celler i serie kan värdet mångdubblas enligt antalet strömkällor som kopplas ihop. I seriekopplade celler kopplas den positiva polen av en cell till den negativa polen av följande cell. Kopplingen utförs i praktiken med bipolära ledarplattor som alltid fungerar som anod i en cell och katod i en annan. Förutom den elektriska kopplingen möjliggör de bipolära plattorna även strömmen av utgångsämnen till elektroderna. Elektroder består typiskt av platinapartiklar som sänkts in i kolgryn. Polymerelektrolyten (Nafion) består av kluster av opolära polytetrafluoretenkedjor (PTFE, handelsnamn: Teflon) där sidokedjor som slutar i polära sulfonsyragrupper har tillsats. Fukt spelar en viktig roll i polymercellers funktion. De polära ändorna på kolkedjorna absorberar vatten som hjälper vätejonernas ledning från anod till katod. Ifall elektroden innehåller för mycket vatten kan porerna täppas vilket förhindrar reaktionen från att starta. Å andra sidan flödar protonerna sämre, ju torrare elektrolyten är. Ofta matas det in mer utgångsämnen än stökiometrin skulle förutsätta. Den stökiometriska koefficienten λ berättar vad förhållande är mellan volymflödet V = ΔV Δt för det reagerande utgångsämnet och det teoretiska volymflöde som reaktionshastigheten kräver. Reaktionshastigheten 2

motsvarar den ström som flödar i kretsen, det vill säga antalet laddningar som rör sig per tidsenhet i en elektrokemisk reaktion: (4) It = nzf, där I är strömmen, t är tiden som gått, n är substansmängden utgångsämne som reagerar vid elektroden, z är den den överförda laddningens mängd per mol utgångsämne och F är Faradays konstant 96 485 As mol -1. 2.1 Cellspänning och ström Spänningen E som kan fås ur en vätecell beror, förutom den teoretiska cellspänningen, på temperaturen och deltrycken för de olika utgångsämnena. Enligt Nernsts ekvation är p H 2 O (5) E = E RT zf ln ( ), p H2 p O2 Cellsystemets ström beror enligt Faradays lag (4) på utgångsämnenas ström av substansmängd (n ) och antalet seriekopplade celler (N). (6) I = zfn H 2 N Ur ekvation (6) kan man se att ju fler celler som tilläggs, desto större blir substansmängdsströmmen som behövs. Då blir å andra den erhållna sidan strömmen delad med motsvarande faktor. 2.2 Verkningsgrad Den totala verkningsgraden ηtot berättar en hur stor del av den energi eller effekt som matas in i ett system som kan användas. Då man granskar en bränslecell avses en jämförelse mellan den erhållna 3

eleffekten P = EI och totaleffekten som införts i systemet. Denna kan beräknas med hjälp av det bildade vattnets substansmängdsström och bildningsentalpi: (7) η tot = EI n H 2 O ( Δ f H(H 2 O)). I vätecellens reaktion bildas lika mycket vatten som det förbrukas vätgas. Med hjälp av verkningsgraden som beräknats med hjälp av entalpin kan bränslecellen jämföras jämlikt med värmemaskiner. Bränslecellens energiform baserar sig dock inte endast på överföring av värme utan även på överföring av laddningar. Ur termodynamiken vet vi att förändringen i Gibbs energi beskriver det tillgängliga maximiarbetet som inte kopplar till en volymförändring. Därför rapporteras ibland också Gibbs verkningsgrad ηg som säger en hur stor del av den teoretiska maximala eleffekten som har tagits i bruk: (8) η G = EI n H 2 O ( Δ f G(H 2 O)). 2.3 Polarisationskurva Då ström börjar passera genom en bränslecell börjar dess spänning genast falla från den teoretiska cellspänningen. Spänningsförlustens storlek kallas överpotential. I en bränslecells polarisationskurva (eller (I, E)-kurva) kan man grovt taget se fyra områden i vilka olika förlustmeknismer styr spänningsfallet: Vid låga reaktionshastigheter faller spänningen som en följd av att elektrodreaktionerna aktiveras. Denna aktiveringsöverpotential förhöjs i bränsleceller som fungerar vid låga temperaturer. Om anodreaktionen är oxidation av väte beror spänningsförlusten som orsakas av aktiveringen främst på syrets långsamma reduktion vid katoden. Förlusten kan minskas med samma metoder som även annars används för att snabba upp kemiska reaktioner: effektivare katalysatorer och genom att t.ex. höja temperaturen och/eller förstora reaktionsytan. 4

Spänningsfallet vid den nästan lineära delen av kurvan domineras av ohmiska förluster. Detta innefattar krafter som försvårar eller motstår ledningen av ström eller joner i elektrolyten och de bipolära plattorna. Spänning faller enligt den välkända Ohms lag E =RI. Förlusterna i kurvans tredje del kallas för diffusionsöverpotential. Ur Nernsts ekvation vet vi att spänningen beror på reaktanternas tryck och koncentraion. Spänningen börjar falla då reaktanternas ytkoncentrationer vid anoden och katoden närmar sig noll på grund av att reaktionshastigheten stigit så mycket att tillströmningen av utgångsmaterial inte längre är tillräckligt stor. Detta kan bero t.ex. på att den övre gränsen på diffusionshastigheten uppnåtts eller av orenheter som adsorberats på elektrodens yta, dessa täpper till reaktanternas väg till elektrolyten. Framför allt kolmonoxid adsorberas lätt på ytan av platina. I en polymercell kan orsaken också vara för hög eller låg fuktighet. I det fjärde skedet faller spänningen från den spänning Nernsts ekvation ger för en öppen krets. Förlusten kan ofta vara betydande och beror förutom orenheter på att elektrisk ström eller bränsle kan bryta sig genom elektrolyten och flöda direkt från en elektrod till den andra. Detta fenomen har oftast inte en så stor inverkan på cellens effekt men för celler med låg temperatur sänker det spänningen märkbart. 3 MÄTAPPARATUREN Vätgasen som används i arbetet framställs i en skild elektrolysapparatur, varifrån den leds till bränslecellen. Syret får bränslecellen direkt från luften. I bild 1 finns ett schema över apparaturen. I bilden är E = elektrolysapparaturen, R = motstånd, V = spänningsmätare och A = strömmätare. Bränslecellen som används består av fyra seriekopplade celler. 5

Bild 1. Schema över den apparatur som används. 4 ARBETETS UTFÖRANDE Fyll elektrolysapparaturens behållare med jonbytt vatten nästan ända upp till strecket så att vatten kan flöda till apparatens celler. Koppla spänningskällan till elektrolysappraturen, tryck på den röda knappen och ställ in den yttre spänningen till mellan tre och fyra volt. (Gå inte över fyra volt!) Nu börjar det på elektroderna bildas vätgas som transporteras till bränslecellen och syre som bubblar ut i rumsluften från vattenbehållaren. Handskas inte med eld nära elektrolysutrustningen! Mätning av totalvolymströmnen av vätgas Mät totalvolymströmmen V (H 2 ) tot vätgas som bildas (i enheten ml s -1 ) genom att följa såpbubblornas flöde i en mätpipett på det sätt du bedömer vara mest lämpligt. För detta bör du fylla den svarta tutten som kopplats till pipetten med tvålvatten, stänga den gren av T-kopplingen som leder till bränslecellen med en tång och klämma in bubblor i pipetten. Om du i något skede av arbetet ändrar den yttre spänningen i systemet bör volymströmmen V (H 2 ) tot alltid mätas på nytt. 6

Öppna den gren av T-kopplingen som leder till bränslecellen och stäng grenen till pipetten. Koppla strömmätaren parallellt med bränslecellen som i bild 1. Justera mätområdena på universalmätarna så att de är så exakta som möjligt så att de ändå inte belastas över den valda gränsen. (Ur Faradays lag (4) och Nernsts ekvation (5) kan du uppskatta lämpliga övre gränser med hjälp av den nyss uppmätta totalvolymströmmen.) Mät först spänningen i den öppna strömkretsen, strömmätaren visar då noll och spänningmätaren cellens maximala spänning. För att räkna ut cellens verkningsgrad måste du mäta hur mycket väte som flödar genom cellen utan att reagera, V (H 2 ) ut, detta görs med en mätpipett precis som tidigare. Ifall detta värde avviker något från den tidigare uppmätta totala volymströmmen läcker systemet och detta fel bör beaktas i de kommande genomflödesberäkningarna. Mätning av polarisationskurvan Koppla turvis olika motstånd i motståndsställningen börjande från det största för att rita upp polarisationskurvan (I, E). Anteckna värdena som avlästs från spännings- och strömmätaren. Kom också ihåg att mäta genomflödet V (H 2 ) ut skilt för varje motstånd. 5 BEHANDLING AV RESULTATEN Varför måste genomflödet av väte mätas skilt för varje motstånd? Räkna ut det reagerade vätets substansmängd n H 2 med hjälp av idealgaslagen. Bestäm den stökiometriska koefficienten för anoden och katoden vid varje mätpunkt. Hur mycket mer startmaterial än den stökiometriska mängd som anges av cellreaktionen måsta man i medeltal mata in i systemet? En granskning av felkällorna i ord räcker. Svara dessutom på följande frågor: 1. Rita upp fyra grafer: spänning, effekt, Gibbs verkningsgrad η G och totalverkningsgraden η tot som funktion av strömmen. Placera effekten och verkningsgraden på samma graf med två vertikala axlar mitt emot varandra. Du kan använda litteraturvärdena ΔfH (H2O) = -285,83 kj mol -1 och ΔfG (H2O) = -237,14 kj mol -1. 2. Märk i polarisationskurvan du ritat upp ut fyra områden där spänningsfallet domineras av någon av följande förlustmekanismer: diffusion, aktivering, ohmisk förlust och utbrott av 7

bränsle och elektroner. Märk i grafen också ut gränsströmmen där utgångsämnenas koncentrationer på elektroderna har fallit till noll. Märk också ut den öppna strömkretsens spänning. Jämför den senare med den teoretiska cellspänningen som ges av Nernsts ekvation (5) då cellen är vid normalt lufttryck och rumstemperatur. Luften innehåller cirka 21 % syre. 3. Jämför bränslecellens maxeffekt med effekten på 600 mw som tillverkaren angett och den totala verkningsgraden med det typiska värdet för en vätecell (50-70 %). Finns effektens och verkningsgradens toppar på samma ställe i polarisationskurvan? Fundera på vilken av dessa det skulle löna sig att optimera på en lång rymdfärd där bränslecellen skulle användas hjälpströmkälla i farkosten. 8