Funktion og vedligeholdelse af en brændselscelle

Princippet bag brændselscellen blev opdaget i 1838 af den tysk-schweiziske fysiker Christian Friedrich Schönbein. Han omgav to platintråde i svovlsyre (elektrolyt) med brint og ilt og var i stand til at registrere en elektrisk spænding mellem trådene. Den britiske fysiker Sir William Grove var også en del af processen. Allerede dengang postulerede mange forskere, at vand kunne være fremtidens kul. Men selvfølgelig var det allerede dengang nødvendigt med elektricitet for at producere brint. Ideelt set taler vi nu om grøn brint produceret af elektricitet fra vedvarende energikilder.

En brændselscelle er en energiomformer. Den kemiske reaktionsenergi fra brint og ilt omdannes til elektrisk og termisk energi. Oxideringen af hydrogen og reduktionen af oxygen sker ved rumlig separation ved hjælp af en elektrolyt. Den voldsomme reaktion i den velkendte "oxyhydrogen-test", eller den energi, der frigives, når hydrogen og oxygen reagerer for at danne vand, kan udnyttes.
Der findes en række forskellige brændselscelletyper, der bruger f.eks. naturgas eller metanol som brændstof, samt andre elektrolytter eller oxideringsmidler. Den mest almindelige type til brug i biler/lastbiler er dog brint-ilt-brændselscellen, f.eks. lavtemperatur PEM-brændselscellen (proton exchange membrane fuel cell, proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC).

Det centrale i en PEM-brændselscelle er stakken. Stakkene indeholder et stort antal protonudvekslingsmembraner, der er serieforbundet, og som protoner kan trænge igennem, mens transporten af brint og ilt forhindres. Den enkelte membran (fast elektrolyt) består af en central folie, som elektroderne (anode (-) / katode (+), herunder en katalysator, skiftevis er påført på. PEM er indkapslet i et gasåbent diffusionslag.

Såkaldte bipolære plader er anbragt omkring elektrode-membranenhederne i stakken. ”Bipolar" henviser således til den brintbærende anodeplade og en iltbærende katodeplade. De bipolære plader bruges til en homogen fordeling af brint og ilt, til forsegling udadtil, til køling af brændselscellerne og til elektrisk forbindelse af cellerne. De er kendetegnet ved komplekse kanaler og er normalt fremstillet af grafit, metal eller kompositmaterialer.

I midten af PEM-brændselscellerne sidder membranen i en rektangulær pladeform, pakket ind i de bipolære plader. Anoden forsynes med brint, katoden med ilt. Begge elektroder er forbundet med hinanden. Ædelmetalkatalysatoren sørger for at spalte gasmolekylerne. Hydrogenmolekylerne (H2) spaltes i to protoner. Og hvert hydrogenatom frigiver sin elektron. Nu vandrer protonerne gennem den delvist gennemtrængelige membran til den positivt ladede katode over for, mens elektronerne tager en omvej via forbindelseslinjen mellem anode og katode. Når brintens protoner og elektroner når katodesiden, producerer ilten på denne side vand i en reaktion. Biproduktet af denne kemiske reaktion er varme og elektrisk energi. Der kan aftappes spænding ved endepladerne eller ved forbindelsen mellem anode og katode.

For eksempel beskytter specielle luftfiltre mod selv de mindste partikler. For at adsorbere skadelige gasser fra luften er filteret desuden udstyret med lag af aktivt kul eller andre adsorberende medier. Disse binder skadelige gasser og beskytter brændselscellen. Kravene til luftfiltrering er betydeligt højere for brændselsceller end for forbrændingsmotorer.

Hvis luften er for tør, tørrer membranen i brændselscellestakken ud. Det kan reducere den mekaniske styrke i membranen, som er ansvarlig for protontransporten. Vandet fra reaktionsproduktet kan overføres via en befugter fra udblæsningsluften, den fugtige side, til indblæsningsluften, den tørre side af brændselscellerne.

Men hvis luftfugtigheden er for høj, kan den kondensere til vanddråber. Disse kan blokere de fine strukturer i gasdiffusionslaget eller det mikroporøse lag. Vanddråber, der rammer turbinesiden af den elektriske kompressor, har også en negativ effekt på brændselscellens holdbarhed. Af denne grund anvendes der ekstra vandudskillere.

Emnet akustik er interessant i forbindelse med en brændselscelle, da vi ikke har at gøre med mekaniske komponenter som i en forbrændingsmotor. Faktisk kan der opstå forstyrrende lyde i den elektriske kompressor eller som strømningslyde i ledningerne. Passende resonatorer dæmper den uønskede støj.

Selve brændselscellestakken kræver (teoretisk set) ingen service og er designet som et modul til et højt antal driftstimer. Filterelementerne skal dog udskiftes med jævne mellemrum. Granulatet i ionbytteren, som sikrer, at kølevæskens ledningsevne ligger inden for det korrekte område, er også systemspecifikt. Dette skal også skiftes med faste intervaller. Det samme gælder for katodens luftfilter. Det skal også skiftes regelmæssigt. Og så er der kølekredsløbet. Her findes andre servicerelevante komponenter: ionbytterfilteret og kølevæskens partikelfilter. Det betyder, at bil- og lastvognsværksteder ikke løber tør for arbejde, selv når de servicerer køretøjer med brændselsceller.

Brændselscellekøretøjer, især lastbiler, viser deres styrke, hvor der er behov for lang rækkevidde (f.eks. lange afstande) og hurtig optankningstid. De kan tankes op på blot et par minutter. Hvis man tager den såkaldte Well2Wheel-tilgang i betragtning (fra produktion af brint til drivenergi), vurderer eksperter, at der med brændselsceller opnås en virkningsgrad på 30 til 40 procent. Syntetiske brændstoffer (også baseret på grøn brint) har en virkningsgrad på omkring 20 til 40 procent. Batteridrevne el-biler viser med 60 til 70 procent ganske vist tydeligt højere værdier her, men er i øjeblikket stadig begrænset af deres opladningstid og rækkevidde. I princippet afhænger værdierne dog meget af den pågældende teknologi, forholdene på stedet, energikilden og andre faktorer. Hurtige teknologiske fremskridt kan fortsat have en stor indflydelse på de tre teknologiers effektivitet i fremtiden.
Men brint som brændstof repræsenterer en yderst interessant mulighed for at afkoble produktionen af grøn brint og brugen af den både med hensyn til sted og tid og dermed kunne tilbyde effektive og miljøvenlige drivsystemer. Brændselscellen er derfor en yderst interessant mulighed i fremtidens drivmiddelmix.