Chalmers bidrar till bränslecellens genombrott

Med vatten som enda restprodukt har bränsleceller potential att bidra till ett renare energi- och transportsystem. Men dyr produktion har hittills begränsat tillämpningsmöjligheterna. Anna Martinellis, Chalmers, forskning om superfunktionella jonvätskor kan ha en lösning.

Bränsleceller är en tyst och ren teknologi med potential att bidra till ett avsevärt renare energi- och transportsystem. Trots detta har bränsleceller ännu inte slagit igenom. En anledning är att det används vattenbaserade elektrolyter i cellens komponent som står för protonledningen. När bränslecellen verkar vid temperaturer kring 80–100 °C avdunstar vatten och uttorkning blir ett problem. Sätt att återfukta cellen finns, men de är kostsamma lösningar.
Inom SSF-projektet Superfunktionella jonvätskor för hållbar och ren energi på Chalmers tekniska högskola, studerar Anna Martinelli, biträdande professor på Institutionen för kemi och kemiteknik och doktorand Szilvia Vavra möjligheten att byta ut vatten till vad Anna kallar superfunktionella jonvätskor. Med en jonvätska som elektrolyt kan verkningstemperaturen för en bränslecell höjas till över 150 °C.
– Vi fokuserar på en speciell sorts jonvätskor med sura väteinnehållande grupper. Det vi undersöker är hur joner och protoner (H⁺) rör sig i vätskan, eftersom det är det som avgör om den kan användas i en bränslecell eller inte.

Rätt omgivning krävs
Vätejonen kan röra sig långsamt eller snabbt, och ju snabbare desto högre prestanda kan den ge. Men för att vätejonen ska röra sig snabbt krävs rätt kemisk omgivning.
– Denna ska anpassas för att utnyttja jonvätskans potential och därmed förbättra bränslecellens prestanda, säger Anna Martinelli.
– Det är fundamental forskning med tillämpning i sikte. Vi fokuserar på bränsleceller, men de jonvätskor vi jobbar med kan tillämpas även i till exempel batterier och superkapacitorer, fortsätter hon.
Val och framställning av rätt jonvätska är dock bara en aspekt av det större projektet. Vätskan behöver befinna sig i en fast, porös struktur, för att utnyttjas. Idag löser man det med en polymer, typiskt en perfluorinerad polymer, men Anna vill studera andra material. Närmare bestämt vill hon studera hur vätejonernas rörelseegenskaper förändras i olika fysiska och kemiska miljöer. Efter att ha fokuserat på olika porösa strukturer av silika, utvecklar hon nu tunna filmer av silika med raka välordnade nanokanaler.
– Det är viktigt att vi lär oss hur vätskans joner och protoner rör sig i dessa nanodomäner och vi är mitt i denna process. Vi tittar på silika med långa kanaler bara några nanometer breda, samt olika kemiska modifieringar på kanalernas porväggar.
– På sikt hoppas vi att bränslecellen med dessa nya material kan bli en viktig och effektiv lösning i arbetet mot ett hållbart energi- och transportsystem.