För att möjliggöra effektivare och mer långlivade bränsleceller, som är avgörande för att bränslecellsdrivna tunga fordon ska bli ett hållbart alternativ till förbränningsmotorer, har forskare vid Chalmers tekniska högskola i Sverige utvecklat en innovativ metod för att studera och förstå hur delar av bränsleceller försämras över tid. Detta är ett viktigt steg mot att förbättra bränslecells prestanda och göra dem kommersiellt framgångsrika.
Vätgas är ett bränslealternativ som blir alltmer intressant för tunga fordon. Vätgasdrivna fordon släpper endast ut vattenånga som avgaser, och om vätgasen produceras med förnybar energi är den helt fri från koldioxidutsläpp. Till skillnad från batteridrivna elfordon behöver vätgasdrivna fordon inte belasta elnätet, eftersom vätgas kan produceras och lagras när elen är billig.
För vissa vätgasdrivna fordon kommer drivkraften från en så kallad bränslecell. Men en begränsning för dessa fordon är den relativt korta livslängden, eftersom bränslecellskomponenter som elektroder och membran försämras över tid. Detta problem är vad den senaste studien adresserar.
Forskare vid Chalmers har utvecklat en ny metod för att studera vad som påverkar åldrandet av bränsleceller genom att spåra en specifik partikel i bränslecellen under användning. Forskarteamet har undersökt en hel bränslecell genom att plocka isär den vid regelbundna intervaller. Med hjälp av avancerade elektronmikroskop har de sedan kunnat följa hur katodelektroden försämras i specifika områden under användningscyklerna. Tidigare studier har gjorts på så kallade halvceller, som liknar (men inte är samma som) hälften av en bränslecell och utförs under förhållanden som skiljer sig avsevärt från den verkliga bränslecellen.
Bättre förståelse med ny experimentell metod
”Det har tidigare antagits att prestandan skulle påverkas av att bränslecellen monteras isär och studeras på det sätt vi har gjort, men det visade sig att detta antagande inte stämmer, vilket är förvånande,” säger forskningsledaren Björn Wickman, docent vid institutionen för fysik på Chalmers.
Forskarna vid Chalmers har kunnat undersöka hur materialet i bränslecellen försämras på både nano- och mikronivå, och exakt identifiera när och var nedbrytningen sker. Detta ger värdefull information för utvecklingen av nya och förbättrade bränsleceller med längre livslängd.
”Från att tidigare endast ha sett på hur bränslecellen åldrats efter användning, har vi nu kunnat studera mellansteget,” säger doktoranden Linnéa Strandberg vid Chalmers. ”Genom att kunna följa en enskild, utvald partikel inom ett specifikt område fick vi en mycket bättre förståelse för nedbrytningsprocesserna. Ökad kunskap om dessa är ett viktigt steg mot att designa nya material för bränsleceller eller justera styrningen av bränslecellen.”
Ny metod banar väg för långlivade bränsleceller
USA
energidepartement (DOE) har pekat ut att förbättrad livslängd för bränsleceller är ett av de viktigaste målen att uppnå innan bränslecellsdrivna vätgasfordon kan bli kommersiellt framgångsrika. Enligt industrin måste en lastbil kunna klara av 20 000 – 30 000 timmars körning under sin livstid, vilket en bränslecellsdriven vätgaslastbil inte kan uppnå idag.
”Vi har nu lagt en grund för att utveckla bättre bränsleceller. Nu vet vi mer om de processer som sker i bränslecellen och vid vilken tidpunkt under bränslecells livslängd de inträffar. I framtiden kommer metoden att användas för att utveckla och studera nya material som kan ge bränslecellen en längre livslängd,” säger Björn Wickman.
Hur en bränslecell fungerar
Kärnan i en bränslecell består av tre aktiva lager, två elektroder – anod och katod – med ett jonledande membran i mitten. Varje enskild cell ger en spänning på cirka 1 volt. Elektroderna innehåller katalysatormaterial, och till dem tillförs vätgas och syre. Den resulterande elektrokemiska processen genererar rent vatten och elektricitet som kan användas för att driva ett fordon.
