Eleverna får upptäcka att energi från en solcell går att lagra som kemisk energi i vätgas och syrgas. När energin behövs kan den kemiska energin omvandlas direkt till elenergi i en bränslecell.
- Bränslecellsbil med solcell från experimentmaterielfirma (Sagitta).
- Solsken eller ljusstark lampa.
- Destillerat eller avjonat vatten.
- Prova att köra bilen direkt med solcellen.
- Hur går det när ljuset blir svagt?
- Kör bilen med hjälp av bränslecellen.
Låt bränslecellerna laddas i solsken. Rikta solcellen direkt mot solen, vinkelrätt.
- Avläs nivån (gasmängden) i de båda tankarna en gång i minuten. Graderingen på tankarna är i milliliter.
- Bildas det lika mycket vätgas och syrgas på en minut?
- Hur lång tid tar det att ladda tankarna fullt?
Koppla bort solcellen och låt bilen gå.
- Hur länge kan bilen gå på en laddning.
- Hur lång sträcka går den på en laddning?
I solcellen omvandlas energin i solljuset till elektrisk energi. Från solcellen går ström till motorn. Om man istället kopplar bränslecellen till solcellen händer följande. Bränslecellen, som egentligen skulle heta elektrolyscell i den första delen av experimentet, är fylld med rent, destillerat vatten. Vattnet finns mellan två perforerade metallplattor, katod och anod. Mellan plattorna finns också ett membran, som kan släppa igenom vätejoner. Strömmen från solcellen delar upp (elektrolyserar) vattnets molekyler i vätgas och syrgas. Gaserna går genom slangarna och samlas i varsin tank. Den elektriska energin har nu omvandlats till kemisk energi, som är bunden i gasmolekylerna.
Om man åter kopplar bort solcellen (eller om det blir mörkt) kan man koppla bilmotorn direkt till bränslecellen. Nu fungerar den som en bränslecell. Gaserna går in i bränslecellen och väte- och syreatomer slås samman till rent vatten. Den kemiska energin omvandlas tillbaka till elektrisk energi. Den elektriska strömmen går genom sladdarna till motorn. Bilen rör sig.
I solsken eller med 500 W halogenlampa, på en halv meters avstånd tankas gastankarna fulla på 5-10 minuter. Bilen kan sedan köra ungefär lika länge. Bilen går bättre (bränslecellen fungerar bättre) efter några laddningar – urladdningar. Om bilen stått över natten eller längre, byt vatten. Använd endast destillerat eller avjonat vatten. Bilen kan också köras med solcell och bränslecell parallellt. Bilen går då snabbare i solsken, samtidigt som tankarna med vätgas och syrgas fylls på. Samma cell används som elektrolyscell och som bränslecell. När solcellen levererar el in i cellen sker elktrolys av vattnet. Vätgas bildas vid ena polen, syrgas vid den andra. Gaserna bubblar upp i de vattenfyllda tankarna, tränger undan vattnet och samlas i tankarna. Gasmängden som bildas vid elektrolys är dubbelt så stor i vätgastanken som i syrgastanken – vilket stämmer med vattnets sammansättning, H2O.
När solcellen kopplas bort och motorn kopplas till bränslecellen, fungerar cellen som bränslecell. Vätgas och syrgas förenas till vatten, och den lagrade energin frigörs som el. Det finns möjlighet att göra mätningar av verkningsgrad på dels elektrolys, dels bränslecell. Gastankarna är graderade i volym. Värmevärdet, energiinnehållet i vätgas är 11 J per kubikcentimeter. Koppla in volt- och amperemeter och mät hur lång tid det tar för en viss volym vätgas att bildas respektive förbrukas. Jämför kemiska energin med den elektriska energin (spänning * ström * tid).
Det konventionella sättet att skapa el med hjälp av bränsle, är att låta bränslet värma vatten för att ge ånga, som kan driva en turbin med elektrisk generator. Med realistiska värden på temperaturer blir den inte högre än 30-40 procent. Resterande energi blir spillvärme (som eventuellt kan användas för exempelvis bostadsuppvärmning). Bränslecellen ger möjlighet att skapa elektrisk energi direkt från bränsle, utan att man går omvägen via termisk energi och kinetisk energi. Processen kan liknas vid omvänd elektrolys. Man kan också beskriva bränslecellen som ett uppladdningsbart batteri, som tillförs energi inte genom uppladdning med elektrisk ström utan genom tillförsel av kemisk energi i bränslet. Bränslecellen arbetar med vätgas, som oxideras till vatten med hjälp av syre, ofta direkt från luften. Restprodukten blir rent vatten. Oxidationen sker i närvaro av en katalysator, i en elektrolyt eller ett proton exchange membran (PEM). Även biobränslen som metan (exempelvis från kompostering) eller alkohol (framställd av biomassa) kan utnyttjas som bränsle.
Reaktionen i bränslecellen kan beskrivas som kall förbränning. Visserligen blir en del av den kemiska energin i bränslet även i bränslecellen spillvärme, men verkningsgraden (där elenergin räknas som nyttig energi) är teoretiskt upp emot 80-90 procent, i praktiken kommer man upp till 60 procent.
Elektrolys ger möjlighet att lagra energi från till exempel solceller i form av kemisk energi i vätgas. Vätgasen kan i en bränslecell avge sin energi som el för att driva en bil. Bränslecellen avger bara rent vatten som restprodukt.
Bränsleceller kan tillverkas i varierande storlekar, från små experimentceller med mindre än 1 W uteffekt till stora anläggningar med många celler sammankopplade till kraftverk på hundratals kilowatt. De har använts i rymd- och ubåtstillämpningar, men utvecklas nu även för andra ändamål. I Bara utanför Malmö finns en bränslecell på 200 kW inkopplad på elnätet. Bränsleceller är ännu dyra, men kan i en framtid ge stora bidrag till elförsörjningen. Effekten går att reglera mycket snabbt. De kan därmed bli ett utmärkt komplement till den varierande effekten från solceller och vindkraftverk. Även för drift av bilar med elmotor kan bränsleceller i en framtid vara ett alternativ till stora tunga uppladdningsbara batterier. Bränslet skulle kunna vara vätgas producerad genom elektrolys vid stora solcellsanläggningar i solrika områden. Men även biobränslen som metangas eller alkohol kan utnyttjas i bränsleceller.
|
|
Experimentutvecklare och författare är Mats Areskoug, Malmö högskola.
Ladda hem experiment-
handledning som PDF.
 Bil med bränslecell
kort version med bilder, 285 kb
Bil med bränslecell
kort version utan bilder, 20 kb
Bil med bränslecell
utförlig version med bilder, 287 kb
Bil med bränslecell
utförlig version utan bilder, 22 kb
Sagitta Pedagog
Förrådsgastan 33 A
542 35 Mariestad
Tel 0501 - 163 44
Fax 0501 - 787 80
www.sagitta.se
Areskoug, M. Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 91-44-01114-8. (Energilära, förutsättningar för solenergiutnyttjande, solfångare, solceller, vind- och vattenenergi, värmepump, växthuseffekten behandlas. Många experiment beskrivs.)
Bason, F. Solstrålning, solceller, solenergi. SolData Publishing 2002. (Teori, experiment och tillämpningar kring solceller. Gymnasienivå. På danska.)
Boysen, A. (red) Solsverige 1991, 92, 93, 94, 95, del 6. Larsons förlag, Box 3063, 183 03 Täby. (Informativa artiklar om solenergins möjligheter och aktuella läge. Gymnasienivå.)
Eckerman, P., Grähs, G. Solkatt, vindstrut och vattenhjul. Bonnier, Carlsen 1997. (Idérik experimentbok för barn.)
|