Hur fungerar bränsleceller i bilar?

En bränslecell i en bil omvandlar vätgas från bilens tank och syre från luften till el som driver bilens elmotor. Det enda som kommer ut ur avgasröret är vattenånga och varm luft.

Bränslecellsbilar har fått allt större uppmärksamhet som ett sätt att minska utsläppen av växthusgaser och beroendet av fossila bränslen. En bränslecellsbil tankas snabbt och har lång räckvidd, men tankstationerna för vätgas är fortfarande få.

Vad är en bränslecell?

En bränslecell är en elektrokemisk enhet som omvandlar kemisk energi direkt till elektrisk energi genom en reaktion mellan vätgas eller ett annat bränsle och syre. Till skillnad från förbränningsmotorer, som bränner bränslet, producerar bränsleceller el utan förbränning. En bränslecell kan nå en verkningsgrad på över 60 procent och släpper inte ut några luftföroreningar, bara vatten och värme.

Den vanligaste typen av bränslecell i bilar är protonutbytesmembranbränslecellen (PEMFC). En PEMFC arbetar vid temperaturer under 120 °C och startar snabbt, vilket gör den lämplig för fordon.

Hur fungerar bränsleceller i bilar?

En bränslecell består av tre huvudkomponenter: en anod, en katod och ett elektrolytmembran.

Elen bildas i fyra steg:

1. Bränsletillförsel: Vätgas (H2) leds till anodsidan av bränslecellen. Vätgasen lagras i en tank i bilen och tillförs bränslecellen när bilen behöver kraft.
2. Elektrokemisk reaktion vid anoden: Vid anoden delar en katalysator av platina upp vätgasmolekylerna i protoner (H+) och elektroner (e-). Protonerna vandrar genom elektrolytmembranet till katodsidan, medan elektronerna leds genom en yttre krets. Elektronernas flöde genom kretsen är den elektriska ström som driver bilens motor.
3. Syretillförsel och reaktion vid katoden: Samtidigt tillförs syre (O2) från luften till katodsidan. Vid katoden förenas protonerna och elektronerna med syret till vatten (H2O) och värme, som är bränslecellens enda restprodukter.
4. Energiproduktion: Strömmen från den yttre kretsen driver bilens elmotor. Vattnet från katoden lämnar bilen som vattenånga. Bilen släpper därför inte ut några skadliga avgaser.

Fördelar med bränslecellsbilar

Bränslecellsbilar har flera fördelar, både jämfört med bensin- och dieselbilar och jämfört med batteridrivna elbilar.

• Låga utsläpp: Bränslecellsbilar släpper inte ut några skadliga ämnen vid körning, vilket minskar luftföroreningarna i städer.
• Snabb tankning: En stor fördel jämfört med batteridrivna elbilar är den korta tankningstiden. Toyota Mirai tankas fullt på 4 till 5 minuter, ungefär lika snabbt som en bensin- eller dieselbil. Den snabba tankningen gör bränslecellsbilar praktiska för långa resor.
• Lång räckvidd: Bränslecellsbilar har en räckvidd som är jämförbar med bensinbilarnas. Toyota Mirai går cirka 650 km på en full tank.
• Minskat beroende av fossila bränslen: En bil som drivs med vätgas behöver ingen bensin eller diesel. Vätgas kan framställas med energi från många källor, även från sol-, vind- och vattenkraft.

Utmaningar med bränslecellsbilar

Bränslecellsbilar har också flera utmaningar att lösa innan de kan bli ett vanligt alternativ till bensinbilar och batteridrivna elbilar.

• Infrastruktur: En av de största utmaningarna är bristen på tankstationer för vätgas. Utbyggnaden av vätgasstationer är i ett tidigt skede. Vätgasstationerna är mycket färre än bensinstationerna och laddstolparna. Fler stationer krävs för att bränslecellsbilar ska bli praktiska för vanliga bilägare.
• Kostnad: Det är fortfarande dyrt att tillverka bränslecellsbilar och att producera vätgas. Bränsleceller kräver dyra material, bland annat platina som katalysator, vilket driver upp kostnaderna.
• Vätgasproduktion och miljöpåverkan: Bränslecellsbilarna är utsläppsfria vid körning, men all vätgasproduktion är inte miljövänlig. I USA framställs 95 procent av vätgasen genom reformering av naturgas, en process som bildar koldioxid. För att bränslecellsbilar ska bli ett hållbart alternativ måste mer vätgas produceras med förnybar energi.
• Teknisk mognad: Bränslecellstekniken har ännu inte nått samma mognad som batteritekniken. Bränslecellernas tålighet, livslängd och prestanda behöver bli bättre, särskilt vid extrema temperaturer. Mer forskning behövs för att göra tekniken konkurrenskraftig.

Vad krävs för att bränslecellsbilar ska slå igenom?

Bränslecellsbilar har bäst förutsättningar i länder och regioner som investerar i vätgasteknik och tankstationer. Bränsleceller kan bli viktiga för en fossilfri transportsektor, särskilt för tunga fordon, långa resor och yrkestrafik där batteridrivna fordon kan vara mindre praktiska.

• Grön vätgas: En avgörande faktor är grön vätgas, alltså vätgas som produceras med förnybar energi. Med mer grön vätgas kan bränslecellsbilar minska transportsektorns klimatpåverkan.
• Fler tankstationer: Bränslecellsbilar kräver stora investeringar i fler tankstationer för vätgas. Stater och företag behöver bygga ett nät av stationer som gör det lika enkelt att köra på vätgas som på bensin.
• Teknisk utveckling: Nya material och effektivare tillverkning kan sänka kostnaderna och göra bränslecellsbilar mer konkurrenskraftiga.

Källor

• Amerikanska energidepartementet: Bränslecellsbilar som drivs med vätgas
• Amerikanska energidepartementet: Så fungerar en bränslecellsbil
• Amerikanska energidepartementet: Bränslecellens delar
• Amerikanska energidepartementet: Jämförelse av olika typer av bränsleceller
• Toyota Sverige: Vätgasbilen Toyota Mirai

Skriven av

Mats Pettersson

Energijournalist & redaktör

Mats Pettersson är energijournalist med fokus på kärnkraft, kärnavfall och Sveriges energiomställning. Han har bevakat frågor om kärnbränslehantering, slutförvaring och strålsäkerhet sedan 2015 och följer utvecklingen inom SSM, SKB och internationella atomenergiorganet IAEA. Mats granskar tekniska rapporter, politiska beslut och ny forskning för att göra komplex energiinformation tillgänglig för allmänheten.