Sólin Sólin Rís 03:35 • sest 23:18 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 07:23 • Sest 03:14 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 09:19 • Síðdegis: 21:42 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 03:15 • Síðdegis: 15:23 í Reykjavík

Hvað er efnarafall og hvernig er hann smíðaður?

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019)

Fyrst er nauðsynlegt að segja nokkur orð um vetni, einföldustu frumeindina.

Algengasta form vetnis hefur eina rafeind sem sveimar um eina róteind í kjarna. Í loftkenndu ástandi myndar vetni tvíatóma sameind, H2. Vetni er mjög hvarfgjarnt við súrefni og það brennur með mikilli varmamyndun og umbreytist í vatnsgufu.

Bruni vetnis er vel þekkt fyrirbæri og auðvelt er að láta vetni knýja sprengihreyfil. Orkan sem leysist úr læðingi við bruna vetnis er um þrisvar sinnum meiri en orkumyndun við bruna sama massa af jarðolíu og bensíni. Á hinn bóginn er vetni rúmfrekara í geymslu.

Menn hafa lengi gert ráð fyrir því að vetni verði einn helsti framtíðar orkuberi mannkyns. Deilt er um það hversu lengi olíu- og kolefnaorkulindir jarðar muni endast, en ljóst virðist til dæmis að olían endist ekki nema mannsaldur eða þar um bil. Þess vegna er horft til einfaldra orkubera eins og vetnisins.

Á tímum þverrandi kolefnisorkulinda er umræðan um orkunýtni mikilvæg. Í ljós kemur að olíu- eða bensínvél í bifreið nýtir aðeins brot af varmaorku sinni til hreyfingar farartækisins. Afgangurinn eða nær þrír fjórðu hlutar orkunnar fara til spillis í núningsviðnámi eða varma. Þess vegna hefur heilmikil áskorun falist í leitinni að tækni sem felur í sér nýtnari orkuferla í vélum. Hér hefur komið til sögunnar tækni sem markar tímamót í orkunýtingu mannkynsins.

Efnarafalar

Efnarafalar eru ein tegund tækni til þess að stýra hvarfi vetnis og súrefnis og mynda vatn án einfalds sprengibruna. Árið 1839 hannaði náttúruheimspekingurinn Sir William Grove í Wales einfaldan undanfara efnarafala. Í honum var brennisteinssýra notuð sem raflausn og platína nýtt sem rafskaut til þess að klófesta rafeindir. Það kom í hlut William White Jaques að nefna hið nýja tæki "fuel cell" eða efnarafala um leið og hann breytti um raflausn og notaði fosfórsýru.

Rannsóknir í Þýskalandi á þriðja áratug síðustu aldar lögðu grunninn að efnarafölum sem kröfðust ekki lengur vökvakenndrar raflausnar heldur fasts efnis, oxíðs. Í geimferðaáætlunum stórveldanna voru efnarafalar notaðir og þá fyrst stuðst við tækni sem Francis T. Bacon, afkomandi hins nafntogaða skálds, hafði þróað og notaðist við kalíum hydroxíð.

Framfarir í efnistækni undanfarna áratugi hafa eflt rannsóknir á sviði efnarafala þar sem raflausnin er á formi fastra efna. Einkum hefur orðið mikil þróun á sviði efnarafala þar sem raflausnin er fjölliða sem hefur verið meðhöndluð með flúor og kölluð er "perfluorinated polymer". Þessi einstaka fjölliða er þá notuð á formi himnu sem til dæmis er fest við platínunet og myndar þannig grunninn að því sem nefnt hefur verið PEM efnarafali eða Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Nafngiftin "proton" vísar til þess að í slíkum efnarafölum er það róteindin sem gegnir meginhlutverki; í þeim er himna sem hleypir róteindum í gegn um sig. Róteindahimnan aðgreinir rafeindir frá vetniskjarnanum með aðstoð hvatandi málms í yfirborði sínu og getur flutt þær í gegn um álagsviðnám eins og sést á myndum hér á eftir.

Varðandi orkunýtni er ljóst að efnarafalar nýta orku vetnisins allt að tvöfalt betur en gerist í notkun þess í venjulegum sprengihreyfli. Geoffrey Ballard frá Kanada hefur náð einna lengst í þróun þessara efnarafala og er við hann kennt samnefnt fyrirtæki í heimalandi hans. Ballard fyrirtækið sem framleiða mun efnarafalana fyrir strætisvagnaverkefni Íslenskrar NýOrku notast við róteindahimnur frá DuPont.

DuPont framleiddi fyrst PTFE, öðru nafni Teflon, á fjórða áratug síðustu aldar. Efnafræðingurinn J. Plunkett hjá DuPont á heiðurinn af uppgötvun PTFE. Uppgötvunin var gerð í sambandi við rannsóknir á kolflúorsamböndum á sviði kælitækni. Skyld efni urðu til og teflonhimnurnar nutu mikillar athygli strax í upphafi. Systurefnið, sem kallað er Nafion, var fyrst framleitt fyrir efnarafala í gervitungl árið 1962. Með því að meðhöndla teflongrunninn með brennisteins- og kolefnisinnihaldandi efnum tókst DuPont að fá teflon til þess að leiða róteindir. Grunneiningin er gerð úr keðju kolefnis og flúoratóma. Nafíon er þannig gert að F-C-F keðjan er tengd súrefnisatómi í stað flúoratóms í þriðja hverjum hlekk og hefur SC3H klasa tengdan sér. Róteind sem ferðast í gegn um nafion fjölliðu, skoppar milli SC3H sameinda, og flæðir þannig í gegn um himnuna. Virknina má sjá á mynd 1.



Mynd 1. PEM róteindahimna úr Nafion; grunneining efnafafala.

Myndin sýnir virkni einfaldrar PEM himnu. Vetni er leitt inn vinstra megin og lendir á platínunetju sem klófestir rafeind vetnisatómsins en hleypir róteind kjarnans í gegn. Rafeindin er leidd niður eftir platínunetjunni, inn í til dæmis rafmótor þar sem hún getur framkvæmt vinnu, og upp í platínunethimnu hægra megin við PEM fjölliðuhimnuna. Þar sameinast hún róteindinni á ný og binst þannig súrefni sem leitt er inn frá hægri. SC3H einingin á myndinni er mjög einfölduð mynd af annars flóknu samspili vatnssósa klasa sem er tugir Angström í þvermál.

Uppskrift að heimatilbúnum efnarafala

Til þess að gera lesendum betur grein fyrir eðli og virkni PEM efnarafala, viljum við nú freista þess að smíða saman efnarafala úr einföldum, fáanlegum efnum. Um leið verður það vonandi ljóst að þessi tækni hefur náð því stigi að vera orðin gerleg; jafnvel við tiltölulega frumstæðar aðstæður.



Mynd 2 sýnir samlokur með einni PEM róteindahimnu.

Skoðum mynd 2. Hún minnir helst á innsetningu skuggamyndafilmu í sýningarramma. Yst til vinstri er endaplata úr grafíti sem unnt er að fræsa í um 3 mm djúpar rásir fyrir gasið, í þessu tilviki vetnið. Mótun grafíts krefst mjög góðrar verkstæðisaðstöðu. Reyndar má í einföldu formi notast fremur við acetal plastefnið Delrin sem stenst áreiti og tæringu vetnis og er auðvelt í vinnslu. Hægra megin við endaplötuna er svo nikkel net sem gegnir hlutverki hvata og blað gert úr kolefnispappír (e. carbonpaper) sem unnt er að kaupa, til dæmis frá fyrirtækinu Spectracarb. Hann er í senn gegndræpur og leiðandi.

Ef við skoðum mynd 2 nánar má sjá hvernig byggja má upp hinn endanlega efnarafala með því að bæta við samloku eftir samloku. Hægra megin við róteindahimnuna er svo spegilmynd þess sem er vinstra megin við hana, nema hvað að ef þess er óskað að raða himnum í samloku, þarf að setja svokallaða tvískauta plötu næst á eftir nikkel netinu. Tvískauta platan tekur þá súrefni inn vinstra megin en vetni hægra megin við sig og samlokurnar halda þannig áfram koll af kolli uns komið er að endaplötu rafalsins hægra megin. Pakkningar má gera með kapton sem er fjölamíð filma frá DuPont með þéttieiginleika sem duga fyrir bæði súrefni og vetni og sem einnig binst vel málmum og plasti.

Með þessu móti má með um það bil 20 fersentimetra himnum fá fram um 400 milliamper með um 0,6 Volta spennu yfir hverja himnu, eða um ¼ Watts í hverju skrefi. Með því að raðtengja tug slíkra samloka hækkar bæði spenna og afl í rafalanum. Nýtni rafalans í þessari einföldu mynd er um 50% en verður í bestu tilvikum um 85%. Kostnaður á hvert virkjað watt í þessum heimasmíðaða rafala getur hlaupið á hundruðum króna, en það er eðlilegt þegar um er að ræða frumgerðir. Þess má til gamans geta að í fjöldaframleiðslu efnarafala fyrir bíla er stefnt að kostnaði undir einni krónu á wattið!

Til þess að örva virkni rafalans er síðan hægt að blása súrefninu í gegn um samlokuröðina frá hlið og virkar það vel. Slíkur rafali hefur langan endingartíma, en mikilvægt er að rýmið þar sem rafalinn vinnur sé þurrt og að vatnsgufumyndun frá efnahvarfinu sé leidd í burtu og drekki ekki himnunum. Á fagmáli PEM efnarafala er þá talað um hina vandrötuðu vatnsstýringu rafalans.

Nú er samlokubúntinu þrýst saman og pakkningarnar þéttar. Á þessu stigi er unnt að kaupa vetni á litlum þrýstiflöskum hjá til dæmis ÍSAGA eða jafnvel framleiða eigið vetni með því að snúa ferlinu við og rafgreina eimað vatn með hjálp efnarafala með mjög svipaðri aðferð. Muna þarf að loftræsta vinnustofuna vel.

Höfundur

prófessor í eðlisfræði

Útgáfudagur

11.12.2002

Spyrjandi

Þorkell Þorsteinsson, f. 1992

Tilvísun

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019). „Hvað er efnarafall og hvernig er hann smíðaður?“ Vísindavefurinn, 11. desember 2002. Sótt 27. maí 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=2951.

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019). (2002, 11. desember). Hvað er efnarafall og hvernig er hann smíðaður? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=2951

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019). „Hvað er efnarafall og hvernig er hann smíðaður?“ Vísindavefurinn. 11. des. 2002. Vefsíða. 27. maí. 2020. <http://visindavefur.is/svar.php?id=2951>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað er efnarafall og hvernig er hann smíðaður?
Fyrst er nauðsynlegt að segja nokkur orð um vetni, einföldustu frumeindina.

Algengasta form vetnis hefur eina rafeind sem sveimar um eina róteind í kjarna. Í loftkenndu ástandi myndar vetni tvíatóma sameind, H2. Vetni er mjög hvarfgjarnt við súrefni og það brennur með mikilli varmamyndun og umbreytist í vatnsgufu.

Bruni vetnis er vel þekkt fyrirbæri og auðvelt er að láta vetni knýja sprengihreyfil. Orkan sem leysist úr læðingi við bruna vetnis er um þrisvar sinnum meiri en orkumyndun við bruna sama massa af jarðolíu og bensíni. Á hinn bóginn er vetni rúmfrekara í geymslu.

Menn hafa lengi gert ráð fyrir því að vetni verði einn helsti framtíðar orkuberi mannkyns. Deilt er um það hversu lengi olíu- og kolefnaorkulindir jarðar muni endast, en ljóst virðist til dæmis að olían endist ekki nema mannsaldur eða þar um bil. Þess vegna er horft til einfaldra orkubera eins og vetnisins.

Á tímum þverrandi kolefnisorkulinda er umræðan um orkunýtni mikilvæg. Í ljós kemur að olíu- eða bensínvél í bifreið nýtir aðeins brot af varmaorku sinni til hreyfingar farartækisins. Afgangurinn eða nær þrír fjórðu hlutar orkunnar fara til spillis í núningsviðnámi eða varma. Þess vegna hefur heilmikil áskorun falist í leitinni að tækni sem felur í sér nýtnari orkuferla í vélum. Hér hefur komið til sögunnar tækni sem markar tímamót í orkunýtingu mannkynsins.

Efnarafalar

Efnarafalar eru ein tegund tækni til þess að stýra hvarfi vetnis og súrefnis og mynda vatn án einfalds sprengibruna. Árið 1839 hannaði náttúruheimspekingurinn Sir William Grove í Wales einfaldan undanfara efnarafala. Í honum var brennisteinssýra notuð sem raflausn og platína nýtt sem rafskaut til þess að klófesta rafeindir. Það kom í hlut William White Jaques að nefna hið nýja tæki "fuel cell" eða efnarafala um leið og hann breytti um raflausn og notaði fosfórsýru.

Rannsóknir í Þýskalandi á þriðja áratug síðustu aldar lögðu grunninn að efnarafölum sem kröfðust ekki lengur vökvakenndrar raflausnar heldur fasts efnis, oxíðs. Í geimferðaáætlunum stórveldanna voru efnarafalar notaðir og þá fyrst stuðst við tækni sem Francis T. Bacon, afkomandi hins nafntogaða skálds, hafði þróað og notaðist við kalíum hydroxíð.

Framfarir í efnistækni undanfarna áratugi hafa eflt rannsóknir á sviði efnarafala þar sem raflausnin er á formi fastra efna. Einkum hefur orðið mikil þróun á sviði efnarafala þar sem raflausnin er fjölliða sem hefur verið meðhöndluð með flúor og kölluð er "perfluorinated polymer". Þessi einstaka fjölliða er þá notuð á formi himnu sem til dæmis er fest við platínunet og myndar þannig grunninn að því sem nefnt hefur verið PEM efnarafali eða Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Nafngiftin "proton" vísar til þess að í slíkum efnarafölum er það róteindin sem gegnir meginhlutverki; í þeim er himna sem hleypir róteindum í gegn um sig. Róteindahimnan aðgreinir rafeindir frá vetniskjarnanum með aðstoð hvatandi málms í yfirborði sínu og getur flutt þær í gegn um álagsviðnám eins og sést á myndum hér á eftir.

Varðandi orkunýtni er ljóst að efnarafalar nýta orku vetnisins allt að tvöfalt betur en gerist í notkun þess í venjulegum sprengihreyfli. Geoffrey Ballard frá Kanada hefur náð einna lengst í þróun þessara efnarafala og er við hann kennt samnefnt fyrirtæki í heimalandi hans. Ballard fyrirtækið sem framleiða mun efnarafalana fyrir strætisvagnaverkefni Íslenskrar NýOrku notast við róteindahimnur frá DuPont.

DuPont framleiddi fyrst PTFE, öðru nafni Teflon, á fjórða áratug síðustu aldar. Efnafræðingurinn J. Plunkett hjá DuPont á heiðurinn af uppgötvun PTFE. Uppgötvunin var gerð í sambandi við rannsóknir á kolflúorsamböndum á sviði kælitækni. Skyld efni urðu til og teflonhimnurnar nutu mikillar athygli strax í upphafi. Systurefnið, sem kallað er Nafion, var fyrst framleitt fyrir efnarafala í gervitungl árið 1962. Með því að meðhöndla teflongrunninn með brennisteins- og kolefnisinnihaldandi efnum tókst DuPont að fá teflon til þess að leiða róteindir. Grunneiningin er gerð úr keðju kolefnis og flúoratóma. Nafíon er þannig gert að F-C-F keðjan er tengd súrefnisatómi í stað flúoratóms í þriðja hverjum hlekk og hefur SC3H klasa tengdan sér. Róteind sem ferðast í gegn um nafion fjölliðu, skoppar milli SC3H sameinda, og flæðir þannig í gegn um himnuna. Virknina má sjá á mynd 1.



Mynd 1. PEM róteindahimna úr Nafion; grunneining efnafafala.

Myndin sýnir virkni einfaldrar PEM himnu. Vetni er leitt inn vinstra megin og lendir á platínunetju sem klófestir rafeind vetnisatómsins en hleypir róteind kjarnans í gegn. Rafeindin er leidd niður eftir platínunetjunni, inn í til dæmis rafmótor þar sem hún getur framkvæmt vinnu, og upp í platínunethimnu hægra megin við PEM fjölliðuhimnuna. Þar sameinast hún róteindinni á ný og binst þannig súrefni sem leitt er inn frá hægri. SC3H einingin á myndinni er mjög einfölduð mynd af annars flóknu samspili vatnssósa klasa sem er tugir Angström í þvermál.

Uppskrift að heimatilbúnum efnarafala

Til þess að gera lesendum betur grein fyrir eðli og virkni PEM efnarafala, viljum við nú freista þess að smíða saman efnarafala úr einföldum, fáanlegum efnum. Um leið verður það vonandi ljóst að þessi tækni hefur náð því stigi að vera orðin gerleg; jafnvel við tiltölulega frumstæðar aðstæður.



Mynd 2 sýnir samlokur með einni PEM róteindahimnu.

Skoðum mynd 2. Hún minnir helst á innsetningu skuggamyndafilmu í sýningarramma. Yst til vinstri er endaplata úr grafíti sem unnt er að fræsa í um 3 mm djúpar rásir fyrir gasið, í þessu tilviki vetnið. Mótun grafíts krefst mjög góðrar verkstæðisaðstöðu. Reyndar má í einföldu formi notast fremur við acetal plastefnið Delrin sem stenst áreiti og tæringu vetnis og er auðvelt í vinnslu. Hægra megin við endaplötuna er svo nikkel net sem gegnir hlutverki hvata og blað gert úr kolefnispappír (e. carbonpaper) sem unnt er að kaupa, til dæmis frá fyrirtækinu Spectracarb. Hann er í senn gegndræpur og leiðandi.

Ef við skoðum mynd 2 nánar má sjá hvernig byggja má upp hinn endanlega efnarafala með því að bæta við samloku eftir samloku. Hægra megin við róteindahimnuna er svo spegilmynd þess sem er vinstra megin við hana, nema hvað að ef þess er óskað að raða himnum í samloku, þarf að setja svokallaða tvískauta plötu næst á eftir nikkel netinu. Tvískauta platan tekur þá súrefni inn vinstra megin en vetni hægra megin við sig og samlokurnar halda þannig áfram koll af kolli uns komið er að endaplötu rafalsins hægra megin. Pakkningar má gera með kapton sem er fjölamíð filma frá DuPont með þéttieiginleika sem duga fyrir bæði súrefni og vetni og sem einnig binst vel málmum og plasti.

Með þessu móti má með um það bil 20 fersentimetra himnum fá fram um 400 milliamper með um 0,6 Volta spennu yfir hverja himnu, eða um ¼ Watts í hverju skrefi. Með því að raðtengja tug slíkra samloka hækkar bæði spenna og afl í rafalanum. Nýtni rafalans í þessari einföldu mynd er um 50% en verður í bestu tilvikum um 85%. Kostnaður á hvert virkjað watt í þessum heimasmíðaða rafala getur hlaupið á hundruðum króna, en það er eðlilegt þegar um er að ræða frumgerðir. Þess má til gamans geta að í fjöldaframleiðslu efnarafala fyrir bíla er stefnt að kostnaði undir einni krónu á wattið!

Til þess að örva virkni rafalans er síðan hægt að blása súrefninu í gegn um samlokuröðina frá hlið og virkar það vel. Slíkur rafali hefur langan endingartíma, en mikilvægt er að rýmið þar sem rafalinn vinnur sé þurrt og að vatnsgufumyndun frá efnahvarfinu sé leidd í burtu og drekki ekki himnunum. Á fagmáli PEM efnarafala er þá talað um hina vandrötuðu vatnsstýringu rafalans.

Nú er samlokubúntinu þrýst saman og pakkningarnar þéttar. Á þessu stigi er unnt að kaupa vetni á litlum þrýstiflöskum hjá til dæmis ÍSAGA eða jafnvel framleiða eigið vetni með því að snúa ferlinu við og rafgreina eimað vatn með hjálp efnarafala með mjög svipaðri aðferð. Muna þarf að loftræsta vinnustofuna vel....