Etikettarkiv: Bränsleceller

Chalmers bidrar till bränslecellens genombrott

Anna Martinelli, biträdande professor på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Anna Martinelli, biträdande professor på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

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.

Illustrationen visar jonvätskans katjoner (+) och anjoner (-) som rör sig inom nano­kanaler av silika.
Illustrationen visar jonvätskans katjoner (+) och anjoner (-) som rör sig inom nano­kanaler av silika.

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.

Chalmers – Bränsleceller

Superfunktionella jonvätskor för hållbar och ren energi är ett SSF-finansierat projekt på Chalmers tekniska högskola. I projektet studeras kostnadseffektivare material för bränsleceller, samt hur bränslecellernas verkningsgrad och robusthet kan öka.

www.chalmers.se

Framtidens bränsleceller för hållbara produkter

Carina Lagergren, professor i tillämpad elektrokemi vid KTH. Foto: Johan Marklund
Carina Lagergren, professor i tillämpad elektrokemi vid KTH. Foto: Johan Marklund

Bränsleceller är en viktig pusselbit när vi går mot ett fossilfritt samhälle. Men de hämmas av höga kostnader och begränsad livslängd. På KTH, Chalmers och Lunds universitet forskas på en ny typ av platinafri, kostnadseffektiv bränslecell som kan få bred användning.

Morgondagens hållbara fordon, elnät och energisystem kräver nya, innovativa lösningar. Bränsleceller kan bli en central del av lösningen och lyfts fram bland annat inom EU:s vätgasstrategi. En utmaning är att den vanligaste typen av bränslecell som tillverkas idag framför allt använder platina som katalysator. Det är ett effektivt material, men dyrt. I det SSF-finansierade tvärvetenskapliga projektet Material för effektiva och konkurrenskraftiga bränsleceller utvecklar forskare på KTH, Chalmers och Lunds universitet en ny generation bränsleceller, där målet är att stegvis helt eliminera platina, med bibehållen prestanda och bättre livslängd.
– Priset på bränsleceller är idag ett stort hinder för att de ska få ordentligt genomslag. Vi vill få ner kostnaderna, men också öka hållbarheten, förklarar Carina Lagergren, professor i tillämpad elektrokemi vid KTH.

Från sur till alkalisk miljö
En grundbult i forskningen är att byta den sura miljön i platinabaserade bränsleceller med protonledande membran, till en alkalisk miljö med nya och billigare hydroxidledande membran. Då kan också platina ersättas av billigare metall­er, som silver och nickel. Förutom den lägre kostnaden är en stor fördel med tekniken att den inte är lika känslig för föroreningar, och vätgasen, som är själva bränslet i cellen, kan vara mindre ren.
I projektet arbetar forskarna nära industrin, och representanter från bränslecellstillverkaren Powercell, fordonstillverkaren Scania samt stålproducenten Sandvik ingår i ett råd.
– Det är enormt värdefullt eftersom de bidrar med industrikompetens från olika perspektiv, från materialtillverkning till produktion och användning av bränsleceller, framhåller Carina Lagergren.

Doktorander viktiga
I projektet utförs tillämpad grundforskning, från molekylnivå till funktionen av hela celler. De möjliga tillämpningsområdena är många: från bärbar elektronik till bilar, flygplan, fartyg och kraftverk. En väsentlig del av satsningen är de sex doktoranderna.
– Deras kompetens kommer verkligen att efterfrågas av industrin, vilket är väldigt roligt och ger projektet ännu större strategisk relevans, avslutar Carina Lagergren.

KTH, Chalmers och LU – Bränsleceller

Material för effektiva och konkurrenskraftiga bränsleceller är ett tvärvetenskapligt forskningsprojekt i samverkan mellan KTH, Chalmers och Lunds universitet. Forskarna har komplementära kompetenser inom membran-, katalysator- och bränslecellsforskning. Till projektet har vi knutit ett kvalificerat industriellt råd med representanter från ledande svenska fordons- och bränslecellsutvecklare/tillverkare. Målet är att utveckla bränsleceller som är billiga, har lång livslängd och god prestanda, där platina byts mot andra metaller.

www.kth.se
www.chalmers.se
www.lu.se