Brenselceller som går på hydrogen er effektive og slipper ut vanndamp i stedet for eksos. Men foreløpig er teknologien kostbar og dermed ikke konkurransedyktig med alternativet elmotor.
Norske forskere har nå funnet ut hvordan konkurranseevnen kan skyte fart med å kutte ned på to kritiske materialer. Det kan gjøre slike brenselceller både billigere og mer miljøvennlige.
Teknologien har nemlig stort potensial for å kutte klimagassutslipp i transportsektorene, 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 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.
– 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.
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 gav nok strøm til å drive brenselcellen, samtidig som mengden materialer som krevdes ble drastisk redusert, forteller Patrick Fortin, forsker ved SINTEF.
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 Patrick 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, slik som skismøring, Gore-tex og brannslukningsskum.
Materialene regnes av EU 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.
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.
Patrick Fortin peker på hvor membranen og katalysatoren går inn i brenselcellen på Hydrogenlaboratoriet til SINTEF.
Fra syltynn til enda tynnere…
– Membranene i dagens brenselceller er 15 mikrometer tykke. Vår prototype måler bare ti mikrometer. For å sette det i perspektiv har et standard A4-ark en tykkelse på 100 mikrometer, sier Patrick.
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 Patrick Fortin, skyldes egenskapene til membranen.
Fakta om prosjektet:
Forskningen er en del av det EU-finansierte prosjektet CAMELOT, som har hatt som mål å bedre forstå faktorene som har begrenset ytelsen til dagens protonutvekslingsmembran (PEM) brenselceller. Forskningen ved SINTEF er gjort i samarbeid med katalysatorprodusenten Johnson Matthey og brenselcelleprodusenten PowerCell. Johnson Matthey har laget katalysatorbelagte membraner på 300 cm² og disse er testet i en PEM-brenselcelle designet av PowerCell for langtransport. Testene viste at de nye membranene kan brukes kommersielt i brenselcelledrevne kjøretøy til en lavere kostnad og med mindre PFAS-innhold.
Videre studier for å undersøke levetiden til de nye membranene i tett samarbeid med industrien er planlagt.
– 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 Patrick 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.
Tynnere – men mer effektiv. Nå skal forskerne teste hvor lenge den varer. Foto: Silje Grytli Tveten
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.
Fakta om PEM-brenselceller:
PEM-brenselceller er effektive, lette og kompakte brenselceller som er ideelle for bruk i transportsektoren. I 2022 ble det solgt over 55 000 PEM-brenselceller globalt, og innen utgangen av 2023 var det registrert 5939 elektriske kjøretøy basert på PEM-brenselceller i Europa. Fremover forventes disse tallene å øke ettersom Europas veikart for hydrogen tar sikte på 45 000 brenselcellebusser og lastebiler på veiene innen 2030.
Kilde: SINTEF, Fuel Cell Industry Review 2022, Clean Hydrogen Monitor 2024, Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, Hydrogen roadmap Europe.
Vi har allerede laget membraner på 300 cm² og testet de nye brenselcellene hos våre partnere, med gode resultater. Nå gjenstår det bare å undersøke levetiden til de nye membranene, avslutter Patrick.
- Her finner du den publiserte artikkelen i Journal of the Electrochemical Society:
The Influence of Membrane Thickness and Catalyst Loading on Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cells. (DOI 10.1149/1945-7111/ad8267).
