Chalmers banar väg för bättre bränsleceller

Forskare på Chalmers har utvecklat en innovativ metod för att studera och förstå hur delar av bränslecellen bryts ned vid användning. ”Det är ett viktigt steg framåt för att kunna optimera och kommersialisera bränslecellerna,” skriver högskolan i en forskningsrapport. 

Bränsleceller används redan i vissa typer av vätgasdrivna fordon, men hålls ännu tillbaka av en relativt kort livslängd. Bränslecellens elektroder och membran bryts nämligen ned över tid. Det är detta problem som Chalmersforskarnas nya studie tar sig an.

”Man har tidigare utgått från att en bränslecells prestanda skulle påverkas av att plockas isär och studeras på det sätt vi har gjort, men det visade sig att det antagandet inte stämmer, vilket är överraskande. Därmed har vi kunnat studera bränslecellen under användning,” säger forskningsledaren Björn Wickman, docent vid institutionen för fysik på Chalmers.

Vattenånga som avgas

Vätgas är ett drivmedelsalternativ som blir allt vanligare för tung fordonstrafik, och avger endast vattenånga som avgas. En förutsättning för att bränslecellsdrivna tunga vätgasfordon ska kunna vara ett alternativ till fossildrivna fordon är att de kan göras mer långlivade och effektiva. Om vätgasen framställs med hjälp av förnybar energi är den helt fri från koldioxidutsläpp. Till skillnad från batteridrivna elfordon så behöver inte vätgasfordon belasta elnätet, eftersom vätgas kan produceras när elen är billig, för att sedan lagras.

Wickmans forskargrupp har för första gången kunna studera hur materialet i bränslecellen bryts ned på både nano- och mikronivå, och klarlägga exakt när och var nedbrytningen sker. Detta ger värdefull information inför utvecklandet av nya och förbättrade bränsleceller med längre livslängd.

Enligt amerikanska energidepartementet (DOE) är förbättrad livslängd för bränsleceller ett av de viktigaste målen att nå innan bränslecellsdrivna vätgasfordon kan bli kommersiellt gångbara. En lastbil behöver kunna klara 20 000 – 30 000 timmars körtid under sin livstid – en nivå som inte ens bränslecellsdrivna vätgaslastbilar når idag.

Elektronmikroskop fångar användningscyklerna

Med den nya metoden kan man nu studera vad det är som påverkar bränslecellens åldrande genom att följa en specifik partikel i bränslecellen under användning. Chalmers forskare har monterat isär bränslecellen med jämna intervaller, och med hjälp av avancerade elektronmikroskop har man sedan kunnat följa hur katodelektroden bryts ned på specifika områden under användningscyklerna. Tidigare studier har gjorts på så kallade halvceller under förhållanden som skiljer sig markant från den riktiga bränslecellen.

”Att kunna följa en viss partikel och ett specifikt område ger en mycket bättre förståelse för nedbrytningsprocesserna. Större kunskap om dessa är ett viktigt steg på vägen för att utforma nya material för bränsleceller eller för att justera styrningen av bränslecellen,” säger doktoranden Linnéa Strandberg