Konstruksjonen av selve brenselcellen er egentlig ganske enkel idet den bare består av noen få komponenter. De viktigste og mest karakteristiske er elektrolytten og elektrodene. I tillegg trengs strømningsplater for å fordele reaktantene homogent over hele cellearealet. Figuren nedenfor viser komponentene i en PEMFC:

En generell beskrivelse av komponentene og dere egenskaper er gitt nedenfor. Hva som brukes i de forskjellige brenselcelletypene er beskrevet i den seksjonen.

• Elektrolytten – Elektrolytten har tre hovedfunksjoner i en brenselcelle; ionisk leder, elektrisk isolator og fysisk barriere mellom anode og katode (og dermed også reaktantene). Ioner strømmer gjennom elektrolytten mens elektronene må gå rundt. Ladningsbærende ion og strømningsretning varierer med brenselcelletype (se avsnittet om forskjellige brenselcelletyper). Som beskrevet i prinsippdelen er grunnideen bak brenselceller skillet mellom anode- og katodereaktantene og at de elektrokjemiske reaksjonene skjer fysisk atskilt fra hverandre. Enhver fluks av elektroner eller reaktanter gjennom elektrolytten vil senke ytelsen til cellen, dvs at disse egenskapene har en betydelig innflytelse på brenselcellen.

• Elektroder – De elektrokjemiske reaksjonene skjer på elektrodeoverflata. Brensel oksideres på anoden og oksygen reduseres på katoden. En kombinasjon av membran (elektrolytt) og elektroder kalles membran elektrode enhet (membrane electrode assembly, MEA). For lavtemperatur brenselceller er det nødvendig med katalysator (edelmetaller) for å øke reaksjonshastigheten. Platina er den mest vanlige katalysatoren, noen ganger i kombinasjon med andre (edel)metaller. Ved høyere temperaturer (MCFC og SOFC) er det ikke behov for platina og billigere metaller/materialer kan brukes.

• Diffusjonssjikt (gas diffusion layer, GDL) – GDL brukes bare i lavtemperatur brenselceller. De er ansvarlige for distribusjon av reaktanter til og transport av produkter vekk fra elektrodeoverflata. Et viktig tema er fjerning av produktvann fra katoden i PEMFC. GDL tilpasses de forskjellige oppgavene ved å endre de hydrofobiske egenskapene. Siden de er plassert mellom elektrodene og strømningsplatene må de også være elektrisk ledende.

• Strømningsplater/bipolare plater – Strømningsplatene fordeler brensel og oksidant (luft/oksygen) over hele cellearealet. Forskjellige kanalstrukturer, som for eksempel serpentin, parallell og interdigitated, bearbeides inn i platene hvor brensel og luft strømmer. Forskjellige materialer velges ut i fra hvilken type celle det er snakk om. Det varierer fra grafitt, rustfritt stål og forskjellig kunststoffer for lavtemperatur brenselceller til keramiske materialer for høytemperatur celler. Strømningsplatene fungerer også som strømsamlere.

Under er et eksempel på en enkeltcelle med serpentin kanalstruktur for reaktantene. Mellom grafittplatene ligger elektrolyttmembranen med elektrode og diffusjonssjikt på begge sider.

For å kunne utvikle brenselceller med høyere effekt, kobles flere celler sammen til en såkalt stakk. I dette tilfellet er det kanaler på begge siden av strømningsplatene og de kalles dermed bipolare plater. En skisse av stakkprinsippet er vist nedenfor. Det er like mange forskjellige stakkdesigner som det er brenselcelletyper og anvendelser. Avhengig av spesifikasjonene (effekt, varme, størrelse og geometri) utvikles det forskjellige bipolare plater og stakkedesign. Et interessant eksempel er de rørformete SOFC fra Siemens Westinghouse (se ”Brenselcelletyper/SOFC”).

Et komplett brenselcellesystem består av mer enn bare stakken. Brenseltank, pumper/vifter og en kontroll enhet er et minimum av hva som trengs for å drive en brenselcelle. Mest omfattende er selvsagt de stasjonære kraftverkene, men til og med små applikasjoner kan gi store utfordringer i systemutvikling. Nedenfor er et bilde av en DMFC mobilbatterilader fra Motorola. 

I motsetning til batterier blir brenselet lagret atskilt fra energiomformeren. Størrelsen av lagringstanken begrenser driftstiden. Hydrogen kan for eksempel lagres i trykktanker, metallhydrider, flytende form eller kjemisk bundet. Tyngre hydrokarboner kan også lagres, og enten fødes direkte til cellen eller på forhånd reformeres til hydrogen. Dette er selvsagt avhengig av brenselcelletype og anvendelse. I de fleste tilfeller er oksidanten oksygen fra luften i omgivelsene. Pumper og vifter trengs for å forsyne cellen med luft og brensel.

For noen brenselceller er fuktigheten av elektrolytten svært viktig for protonledningsevnen, og dermed den totale ytelsen. En fukter brukes dermed for å tilføre vanndamp til reaktantene for å kontrollere fuktigheten i cellen og membranen (elektrolytten).

Selv om de teoretiske tapene i en brenselcelle er svært lave, produseres det betydelige mengder varme under drift. Hvis den totale virkningsgraden er 50%, produseres den samme mengden varme som elektrisitet. På grunn av dette trengs i mange tilfeller et kjølesystem, basert på enten luft eller vann, for å hindre overoppheting.

Alle de ovenfor nevnte komponentene må styres av en kontrollenhet som sørger for en stabil drift og en pålitelig utgangseffekt fra brenselcellesystemet.

Til toppen

Copyright © 2004-2006 Fuel Cell Norway ANS