En brenselcelle kan sammenliknes med et batteri. Den fungerer med en tilsvarende elektrokjemisk prosess, men i motsetning til batteriet tilføres drivstoffet kontinuerlig.
Derfor går den ikke tom for strøm før drivstofftanken er tom. På samme måte som det finnes en rekke typer batterier, finnes det mange varianter av brenselceller med forskjellig konstruksjon og kjemi.
Sentral
Den såkalte PEM-brenselcellen (Proton Exchange Membrane) er den sentrale teknologien i det mange tror blir kraftverket i fremtidens biler og busser.
Når en PEM-brenselcelle fôres med hydrogen og luft, lager den elektrisitet med høy virkningsgrad ved temperaturer under 100 °C.Den sentrale komponenten er membranen.
Den danner et skille mellom de aktive gassene, i dette tilfellet hydrogen og oksygen. Den 15 til 200 mikrometer tykke membranen består av en kjemisk bestandig protonledende polymer fuktet med vann. En typisk polymer kan noe forenkelt forklart bestå av teflonkjeder med sidekjeder av sulfonsyregrupper.
Katalysatorer
Membranens hovedoppgave er å lede positive hydrogenioner fra siden med hydrogengassen, anodesiden, over til katodesiden hvor oksygenet er. Siden hydrogen er vårt letteste grunnstoff med atomvekt 1, altså med ett proton i kjernen, betyr dette at hydrogenioner i dette tilfellet er protoner som beveger seg gjennom membranen.
Denne transporten skjer best ved ca. 80 °C. Over 100 °C vil vannet, som også er nødvendig for at protonene kan transporteres, fordampe og redusere ytelsen til brenselcellen.)
Katalysatorer sørger for at hydrogenet brytes opp i hydrogenioner og elektroner på anoden, og at hydrogenioner, oksygen og elektroner omformes til vann på katoden.
Katalysatorlaget på hver side av membranen består av nanopartikler av platina bundet til noe større karbonpartikler som så er blandet med membranmateriale.
Dette laget, som vanligvis er mellom 10 og 40 mikrometer tykt, danner en tredimensjonal kontaktflate som muliggjør reaksjonen mellom gass, elektronleder (karbon) og protonleder (membran) på katalysatoroverflaten.
Dyr
Bruken av platina bidrar til å gjøre brenselcellen kostbar, i tillegg til pris på membranen. En viktig utvikling er derfor å redusere mengden platina uten å redusere katalysatorvirkningen. Katalysatorlaget på begge sider er deretter dekket av et gass- og elektronledende lag av porøs grafittduk med en tykkelse på rundt 200 – 400 mikrometer.
Når protonene vandrer gjennom membranen sammen med vann, tvinges elektronene som blir igjen til å ta veien gjennom grafittduken på anodedesiden og videre gjennom den elektriske kretsen og over til katodesiden.
På katodesiden binder elektronene seg på nytt til protonene som har vandret gjennom membranen, og sammen med oksygenet dannes vann, som i dette tilfellet sammen med overskuddet av tilført luft blir brenselcellens eksos.
For at de reagerende gassene skal komme best mulig i kontakt med det aktive brenselcellearealet, må hver side ha en «bipolar»-plate med gasskanaler. På samme måte som et batteri med høy spenning består av mange enkeltcelle,r kan slike enhetsceller legges oppå hverandre i en stabel, eller «stack», som det kalles.
Effektiv
Virkningsgraden er en viktig grunn til å bruke brenselceller. Virkningsgraden er avhengig av brenselcellens elektriske spenning. Virkningsgraden for en hydrogen-brenselcelle kan maksimalt nærme seg 83 prosent i forhold til hydrogenets brennverdi når effektforbruket synker mot null.
For å oppnå en fornuftig elektrisk effekt, vil den praktiske virkningsgraden i realiteten variere fra litt under 40 prosent til i noen tilfeller over 60 prosent.
Det er ingenting i veien for å kjøre en vanlig stempelmotor på hydrogen i stedet for bensin, men da får man ikke glede av den høye virkningsgraden som brenselcellen kan by på. Samtidig dannes nitrøse gasseri forbrenningsmotoren på grunn av den høye forbrenningstemperaturen.
Ballard Power Systems i Canada er verdens ledende produsent av PEM brenselceller. De investerer svært mye i forskning og utvikling for å forbedre alle sider av teknologien.
I 2002 var litereffekten på deres PEM-celler på 777 watt. I dag er den nesten doblet til 1400 watt, og de venter at denne utviklingen mot stadig mer kompakte celler skal fortsette slik at de vil nå 2500 watt pr. liter i 2010.
Kostnader
Prisen er avgjørende for om brenselcellen skal kunne konkurrere seg til en plass i fremtidens bil. Det finnes ikke noen storskalaproduksjon av brenselceller slik man finner i bilindustrien. Ballard gjør derfor beregninger hvor de tar hensyn til dagens teknologiplattform og skalerer den opp til en halv million enheter i året.
I 2002 viste beregninger at det ville koste 153 amerikanske dollar å produsere hver kW. Nå har dette tallet sunket til 94 dollar, og Ballard tror de kan redusere dette ytterligere til 30 dollar i 2010. Hvis dette er mulig, er det nok til at bilindustrien kan begynne å selge hydrogendrevne biler i stor skala uten at de vil koste særlig mer enn biler med stempelmotorer.
Selvfølgelig vil det kreve at det er mulig å få fylt hydrogen på bilene, og det vil kreve utbygging av en helt nye hydrogeninfrastruktur.
Levetid
Verken kompakthet eller lave produksjonskostnader hjelper hvis levetiden til brenselcellen er for kort. En brenselcellestack er et meget komplisert elektrokjemisk apparat, så stabilitet og levetid har vært et problem. I 2002 lå garantert levetiden på Ballards brenselceller på rundt 200 timer.
Med en gjennomsnittshastighet på 50 km/h gir dette en garantert levetid på 10.000 km, Det tilsvarer serviceintervallet på en eldre bil, ikke særlig imponerende.
Dagens modeller er vesentlig bedre og har en garantert levetid på 2200 timer. I 2010 er målet minst 5000 timer. Det tilsvarer 250.000 km ved en gjennomsnittshastighet på 50 km/h. Da er de på samme banehalvdel som forbrenningsmotoren
Kulde
Kulde er et problem som vil møte brenselcellene. Tradisjonelt har det tatt svært lang tid å få strøm fra en kaldstartet brenselcelle, men her er det gjort store fremskritt. I 2002 tok det hos Ballard 150 sekunder å få strømutbytte opptil 50 prosent ved minus 15 grader.
Allerede i fjor var tallet redusert til 8 sekunder. Masse kuldegrader er verre, men Ballard regner med at det skal ta rundt et halvt minutt å få 50 prosent kraft ved minus 30 grader.
