Brenselceller som går på hydrogen er effektive og slipper ut vanndamp i stedet for eksos. Men foreløpig er teknologien kostbar og dermed ikke konkurransedyktig mot alternativet elmotor.
Norske forskere har nå funnet ut hvordan konkurranseevnen kan skyte fart ved å kutte ned på to kritiske materialer. Det kan gjøre slike brenselceller både billigere og mer miljøvennlige.
Teknologien har nemlig stort potensial til å kutte klimagassutslipp i transportsektoren, spesielt innen tungtransport, i maritim sektor og i noe lengre perspektiv også i luftfarten.
Reduserer behovet for dyre materialer
Brenselceller består av en membran og en katalysator. De er begge avgjørende i prosessen med å omdanne hydrogengass til elektrisk energi og for den generelle ytelsen til brenselceller. Membranene er laget av fluorholdige materialer som er skadelige for miljøet. Mens katalysatoren består av platina, som er et sjeldent og dyrt materiale.
Totalt står materialene i disse delene for så mye som 41 prosent av de totale kostnadene til brenselceller. Derfor så forskere ved SINTEF på hvordan de kunne slankes.
Resultatet? En billigere og mer miljøvennlig hydrogenbrenselcelle har nå sett dagens lys i laboratoriet. Løsningen er så lett og tynn at den får et A4-ark til å framstå som tjukk papp.
Den optimale materialbalansen
Katalysatoren består av utallige platina-partikler der hver partikkel er som en mikroskopisk reaktor som omdanner hydrogen til elektrisitet. Jo flere reaktorer, jo mer elektrisitet. Men på grunn av de dyre materialene blir kostnadene også høyere.
– Det var derfor viktig å finne den optimale balansen mellom mengden materialer som brukes og mengden elektrisitet som produseres. I forskningsprosjektet fant vi en måte å ordne reaktorene på slik at de ga nok strøm til å drive brenselcellen, samtidig som mengden materialer som krevdes, ble drastisk redusert, forteller Patrick Fortin, som er forsker i Sintef.
Studien er publisert i Journal of the Electrochemical Society.
Han forklarer at forskningen har ført til en reduksjon på 62,5 prosent i platinainnhold, sammenlignet med toppmoderne brenselceller.
– Ved å redusere mengden platina i brenselcellen, bidrar vi ikke bare til å redusere kostnadene, vi tar også hensyn til globale utfordringer knyttet til forsyning av viktige råvarer og bærekraft, sier Fortin.
Platina er et av de dyreste og sjeldneste mineralene på jorden. EU kategoriserer derfor platina som et kritisk råmateriale, og utvinningen skjer kun i verdensdeler utenfor Europa.
Løsningen reduserer giftige utslipp
Membranene som brukes i slike brenselceller, inneholder fluorerte polymerer, som tilhører en bredere gruppe, også kjent som per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS). Disse brukes i en rekke produkter som inneholder fluor, som skismøring, Gore-tex og brannslukningsskum.
EU regner materialene som en økende kjemisk risiko. Årsaken er at produksjon, nedbrytning og fjerning av dem kan føre til utslipp av skadelige forbindelser som kan forårsake alvorlige helse- og miljøproblemer.
.jpg)
Men ved å slanke den allerede syltynne membranen med 33 prosent, har forskerne nå kommet frem til en langt mer miljøvennlig membran, som også er rimeligere.
Fra syltynn til enda tynnere…
– Membranene i dagens brenselceller er 15 mikrometer tykke. Vår prototyp måler bare ti mikrometer. For å sette det i perspektiv har et standard A4-ark en tykkelse på 100 mikrometer (μm), sier Fortin.
I løpet av studien fant Sintef at de hadde nådd grensen for hvor tynn en membran kunne bli før det påvirket ytelsen. Resultatene viste at det var omtrent nøyaktig samme ytelse for membraner på 15 μm og 10 μm. Denne balansen, sier Fortin, skyldes egenskapene til membranen.
– Det handler om hvor raskt protonene kan bevege seg over membranoverflaten og inn i katalysatorlaget, kalt «grenseflatemotstand», og hvor raskt de kan bevege seg gjennom selve membranen, kjent som «bulkmotstand», forklarer Fortin og fortsetter:
– Under testene la vi merke til at bulkmotstanden ble ubetydelig under 15 mikrometer og at ytelsen ble bestemt utelukkende av grensesnittmotstanden, som var den samme for begge de to membranene.
Forskerne kom altså frem til at å gå fra syltynn til enda tynnere ikke gikk ut over ytelsen, selv om materialmengden ble redusert.
Forskernes beregninger viste at de totale kostnadene for membranen i hydrogenbrenselcellen kan reduseres med opptil 20 prosent, samtidig som innholdet av det skadelige stoffet PFAS kan reduseres med 33 prosent.
– Tas innovasjonene i bruk, vil forskningen vi har gjort, bidra til at fremtidens rene energiteknologier, slik som kraftige PEM-brenselceller, blir billigere og mer bærekraftige, sier Fortin.
– Vi har allerede laget membraner på 300 kvadratcentimeter og testet de nye brenselcellene hos våre partnere, med gode resultater. Nå gjenstår det bare å undersøke levetiden til de nye membranene.
Artikkelen ble først publisert på Gemini.no
