Brenselceller er interessante på grunn av deres lave forurensing og høye virkningsgrad. På grunn av at den kjemiske energien i brenselet blir omdannet direkte til elektrisitet er ikke brenselceller begrenset av Carnot-virkningsgraden slik som forbrenningsmotorer og varmeturbiner. Når kjemisk energi omdannes via varme (som i bilens forbrenningsmotor) er den maksimale teoretiske virkningsgraden begrenset av driftstemperaturer:

For brenselceller kan den teoretiske (termodynamiske) virkningsgraden utrykkes som forholdet mellom tilgjengelig kjemisk energi (endring i fri energi for brenselcelle reaksjonen, DG) og brennverdien til den samme reaksjonen (entalpiendring, DH).

Over et stort temperatur og effekt – område har brenselceller en potensielt høyere virkningsgrad enn Carnot-teknologier, se figuren nedenfor. Forbrenningsmotorer/ varmeturbiner er godt tilpasset statisk arbeid, da de har et relativt smalt område med optimal drift. Utenfor dette området synker virkningsgraden betydelig. I motsetning til dette har brenselceller en høy virkningsgrad over et stort effekt- og temperaturområde, og er dermed bedre tilpasset dynamiske lastsykluser (drift). En stor fordel er den høye virkningsgraden allerede ved lav last.

For å forstå forskjellen mellom de to teknologiene kan man forestille seg det å kjøre bil. Under landeveiskjøring opererer forbrenningsmotoren i høyeffektivitets området (høyre del av den røde kurven). I bykjøring derimot starter og stopper bilen ofte, noe som korresponderer med å følge den røde kurven opp og ned på venstre del av den røde kurven. Dette forteller det som allerede er godt kjent at bykjøring er mer forurensende enn landeveiskjøring på grunn av en lavere virkningsgrad. Hvis vi følger det samme eksemplet med en brenselcelle (grønn kurve), ser man at brenselceller har sin høyeste virkningsgrad allerede ved lav delelast. En brenselcelle vil operere mye mer fordelaktig i bykjøring men har også høye virkningsgrader ved høyere laster. 

Det er også viktig å forstå at brenselceller ikke alltid og for alle applikasjoner har en høyere virkningsgrad enn forbrenningsmotorer/varmeturbiner. For store stasjonære kraftverk, hvor høytemperatur brenselceller (SOFC og MCFC) brukes, kombineres disse to teknologiene til et perfekt samarbeid. Overskuddsvarmen (tapsvarmen) fra brenselcellen blir utnyttet i varmeturbinen til å produsere enda mer elektrisitet.

Tapene i en brenselcelle er forbundet med effekten og øker med økende strøm. Dette kan sees ved at spenningen synker fra likevektsspenningen (open circuit voltage, OCV) med økende strøm. En typisk strøm-spennings kurve for en hydrogen PEMFC er vist nedenfor.

Hvis det ikke hadde vært noen tap i det hele tatt ville cellespenningen holdt seg på den teoretiske ideelle verdien uavhengig av strømmen. Denne ideelle spenningen (E_rev) for en brenselcelle kan beregnes ut ifra den frie energien for cellereaksjonen, DG.

Hvor DG er -229 kJ/mol for PEMFC, n er antall elektroner overført i den elektrokjemiske reaksjonen (n=2 for PEMFC)  og F er Faradays konstant (94685 C/mol). E_rev er også avhengig av driftsparametere som temperatur, trykk og aktiviteten (konsentrasjon og/eller partialtrykk) til reaktantene. Forskjellen mellom den teoretiske celle spenningen og driftsspenningen kalles overspenning og representerer driftstapene i en brenselcelle. Dermed blir forholdet mellom den teoretiske E_rev  og den aktuelle spenningen (E_cell) en mere korrekt måte å utrykke virkningsgraden i en brenselcelle på.

Tapene i en brenselcelle kan deles inn i brenselovergang (crossover) og indre strøm, aktiverings tap, ohmske tap og massetransport tap. Brenselovergang og indre strøm kommer av brensellekkasje og transport av elektroner gjennom elektrolytten. Elektrolytten skal ideelt kun transportere ioner, men en viss fluks av brensel og elektroner forekommer alltid. Til tross for små mengder er de hovedgrunnen til at åpen krets spenningen er lavere enn den teoretiske (E_rev). Aktiveringstap skyldes treghet i reaksjonene som finner sted på elektrodeoverflatene. Dette kinetiske tapet kan sees i den venstre delen av spenning-strøm kurven ovenfor. Det ohmske tapet er en motstand mot transporten av ioner i elektrolytten og elektroner i celle komponentene og forskjellige koblinger. I dette området er spenningsfallet stort sett lineært med strømmen, og kalles derfor ohmske tap. Massetransport tap er et resultat av minkende konsentrasjon av reaktanter på elektrodeoverflatene etter hvert som de konsumeres i reaksjonene. Ved maksimal strøm er konsentrasjonen av enten oksygen eller brensel på katalysator overflata praktisk talt lik null, ettersom det konsumeres like fort som det blir tilført.

Til toppen

Copyright © 2004-2005 Fuel Cell Norway ANS