Vad är en bränslecell?

En bränslecell fungerar i princip som ett batteri, men behöver inte bytas ut eller laddas upp, utan drivs istället av syre från luften samt väte, och producerar energi i form av värme, elektricitet och vatten. Allt detta sker utan någon förbränning, vilket innebär att utsläppet av föroreningar minimeras. Bränslecellen fortsätter att producera elektricitet så länge som den har tillgång till syre och väte, och eftersom bränslet direkt omvandlas till elektricitet, kan en bränslecell uppnå mycket högre effektivitet än en traditionell motor som bygger på förbränning. I fordon används bränslecellsteknik för att omvandla vätgas till elektricitet, med vatten och värme som enda biprodukter.

Principen bakom bränslecellen upptäcktes 1839 av Sir William Robert Grove vid London Institution. 1889 visade Charles Langer vid University of Cambridge i England en bränslecellskonstruktion med en grundprincip som dagens bränsleceller. I slutet på 50-talet blev NASA intresserade av tekniken då man lyckades tillverka en bränslecell som drev ett litet svetsaggregat. Därefter har NASA sponsrat/bekostat över 200 projekt och bränslecellerna fick sitt första användningsområde som kraftförsörjningskälla i NASA: s månfärder.

Apollofarkosterna var utrustade med bränsleceller av alkalityp med väte som bränsle och syre som oxidationsmedel. Den kan alltså liknas vid ett batteri som kan "tankas" med olika typer av bränslen. Ett bränslecellsystem som använder någon form av konvertering kan utnyttja vätgas från vilket kolvätebaserat bränsle som helst från naturgas till metanol, inklusive vanlig bensin. Det vanligaste externa bränslet för bränsleceller ärvätgas, men andra bränslen finns också. Används andra externa bränslen (se nedan) än vätgas måste denna sönderdelas/konverteras så att vätet kan extraheras ur denna eftersom bränslecellen internt alltid drivs av vätgas. Vissa bränsleceller (till exempel DMFC) kan direktkonvertera vilket innebär att någon extern konvertering ej behöver ske.

Användning

Bränsleceller nämns ofta i samband med diskussioner om framtidens teknik, t ex som ett miljövänligt alternativ till dagens bensin- och dieselmotorer i bilar och bussar. Man skulle därför kunna tro att bränslecellstekniken är ganska ny. Faktum är dock att man känt till bränsleceller i mer än 150 år.

Under 1800-talet betraktades bränsleceller mest som en vetenskaplig kuriositet, men med tiden har man satsat allt mer på forskning och utveckling av tekniken i takt med att man insett dess enorma potential som ren och långsiktigt hållbar energikälla. Den förste som konstruerade en fungerande bränslecell var engelsmannen William Robert Grove. Så tidigt som 1838 utvecklade han en förbättrad version av det så kallade våtcellsbatteriet, genom att använda sig av två elektroder av zink respektive platina nedsänkta i olika syror. Med hjälp av denna anordning kunde han generera en ström på 12 ampere vid 1.8 volts spänning.

Grove fortsatte att utveckla tekniken och upptäckte 1839 att han genom att sänka ned ändarna av två elektroder av platina i en behållare med svavelsyra, och innesluta de andra ändarna var för sig i behållare med syre och väte kunde få en konstant ström att gå mellan elektroderna. De två slutna behållarna innehöll förutom gaserna även vatten, och Grove observerade att vattennivån i dem steg när strömmen gick mellan elektroderna. Han hade alltså lyckats producera elektricitet och vatten med hjälp av syre och väte. Genom att seriekoppla flera uppsättningar av elektroder skapade han ett så kallat gasbatteri - den allra första bränslecellen.

Under de följande decennierna genomfördes ytterligare experiment, bl a av forskarna Ludwig Mond och Charles Langer, som 1889 försökte att konstruera en praktiskt användbar bränslecell. Mond och Langer var också de första att använda sig av benämningen bränslecell.

Ett slags genombrott inom bränslecellsforskningen kom 1893 då tysken Friedrich Wilhelm Ostwald experimentellt lyckades klargöra betydelsen och funktionen av de olika komponenterna hos en bränslecell, såsom elektroder, elektrolyt, t ex i form av svavelsyra, samt anjoner och katjoner, dvs negativt respektive positivt laddade joner. Man hade tidigare bara vetat att bränslecellstekniken fungerade, men inte kunnat förklara hur det hela gick till. Tack vare Ostwald kunde man nu alltså beskriva processen på ett vetenskapligt sätt.

Grove hade anat att hans gasbatteri hade fungerat tack vare kontakten mellan elektrod, gas och elektrolyt, men kunde inte ge någon närmare förklaring. Ostwald lyckades däremot med hjälp av sina experiment klargöra en betydande del av kemin bakom Groves gasbatteri, och hans arbete lade på många sätt grunden för senare bränslecellsforskning och ökade markant den teoretiska förståelsen av hur en bränslecell fungerar. Ostwald tilldelades för övrigt nobelpriset i kemi 1909.

Naturligtvis har vägen mot en allt bättre och effektivare bränslecell varit krokig och kantats av åtskilliga misslyckade försök. Ett av många exempel är William W Jacques, som var elektroingenjör och kemist. Vid förra sekelskiftet konstruerade han ett så kallat kolbatteri, i vilket luft skulle sprutas in i en alkalisk elektrolyt för att reagera med en kolelektrod. Jacques förväntade sig att batteriet skulle ge en elektrokemisk verkan med en effektivitet på 82 %, men i själva verket erhöll han en termoelektrisk verkan med en effektivitet på endast 8 %.

Mer lyckade försök gjordes av schweizaren Emil Baur som under första hälften av 1900-talet bl a experimenterade med elektrolyt i form av smält silver, vilket gjorde att bränslecellen kunde fungera under höga temperaturer. Dessutom använde han sig, till skillnad från de flesta av sina föregångare, i vissa av sina försök av elektrolyt i fast form, bestående av lera och metalloxider.

Ytterligare framsteg gjordes vid mitten av 1900-talet av Francis Thomas Bacon från England. Han lyckades 1939 konstruera en bränslecell som kunde fungera under mycket högt tryck, och under andra världskriget arbetade han med att utveckla en bränslecell som kunde användas i ubåtar i den brittiska flottan. 1959 presenterade han ett praktiskt användbart bränslecellssystem på fem kilowatt, och samma år visade Harry Karl Ihrig upp en bränslecellsdriven traktor med en effekt på 20 hästkrafter.

Utvecklingen hade nu verkligen satt fart och vid samma tid började även den amerikanska rymdorganisationen NASA intressera sig för bränslecellstekniken och inledde arbetet med att utveckla elgeneratorer för användning vid rymdfärder. Bränsleceller har sedan dess försett åtskilliga rymdfärder med elektricitet och är idag en given del av NASA´s rymdprogram. Rymdtekniken är den enda bransch där bränsleceller används kommersiellt i större skala.

Vad många kanske inte vet är att det även i Sverige har bedrivits ganska omfattande forskning om bränsleceller. På 60- och 70-talen hade ABB, dåvarande Asea, ett stort bränslecellsprogram i miljardklassen, och under 70-talet hade man tagit fram en stor funktionsduglig ubåt som drevs av bränsleceller. Man var tekniskt sett före sin tid, men hela projektet fick dock ett tvärt slut när det på ubåten utbröt en våldsam brand, som emellertid inte hade något med själva bränslecellerna att göra. På Asea började vissa efter den incidenten kalla bränsleceller för fool cells istället för fuel cells. Sedan dess har tyvärr bränslecellsforskningen i Sverige varit förhållandevis begränsad, till stor del på grund av brist på forskningsanslag.

Under de senaste decennierna har bränslecellsforskningen intensifierats och utvecklingen av tekniken bedrivs på bred front, både av universitet och privata företag runt om i världen. Utvecklingen drivs nu inte bara av vetenskaplig nyfikenhet, utan grundar sig också på ett brett kommersiellt intresse, och förhoppningar om att kunna tjäna pengar på tekniken.

Bränsleceller används idag i begränsad skala inom en mängd olika områden, men tekniken väntar fortfarande på sitt verkliga genombrott. De flesta är dock överens om att bränsleceller inom en överskådlig framtid kommer att ersätta många av dagens traditionella energikällor - i allt från bärbara datorer till bilar och bussar.