Brenselceller som går på hydrogen, er effektive og slipper ut vanndamp i stedet for eksos. Men foreløpig er teknologien kostbar. Den er 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 på sikt 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. De er også avgjørende for den generelle ytelsen til brenselceller. 

Membranene er laget av fluorholdige materialer. De er skadelige for miljøet. Katalysatoren består av platina. Det er et sjeldent og dyrt materiale.

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. 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. Vi fant en måte å ordne reaktorene på slik at de gav nok strøm til å drive brenselcellen. Samtidig ble mengden materialer som krevdes, drastisk redusert. Det forteller forsker Patrick Fortin ved Sintef. 

Han forklarer at forskningen har ført til en reduksjon på 62,5 prosent i platinainnhold. Det er da 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 Fortin. 

Platina er et av de dyreste og sjeldneste mineralene på jorden. EU kategoriserer derfor platina som et kritisk råmateriale. Utvinningen skjer kun i verdensdeler utenfor Europa. 

Løsningen reduserer giftige utslipp 

Membranene som brukes i slike brenselceller, inneholder såkalte fluorerte polymerer. De tilhører en bredere gruppe også kjent som per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS). 

Disse brukes i en rekke produkter som inneholder fluor. Det er produkter som skismøring, Gore-tex og skum til brannslukking.

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. De kan gi alvorlige helse- og miljøproblemer. 

Forskerne har nå slanket den allerede syltynne membranen med 33 prosent. Det gir en langt mer miljøvennlig membran. Den er også rimeligere. 

Fra syltynn til enda tynnere

– Membranene i dagens brenselceller er 15 mikrometer tykke. Vår prototype måler bare 10 mikrometer. Et standard A4-ark har en tykkelse på 100 mikrometer, sier Fortin. 

I løpet av studien fant forskerne 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 Fortin, skyldes egenskapene til membranen.

– Det handler om hvor raskt protonene kan bevege seg over overflaten på membranen og inn i katalysatorlaget. Dette blir kalt grenseflatemotstand. Det handler også om hvor raskt de kan bevege seg gjennom selve membranen. Det kalles bulkmotstand, forklarer Fortin og fortsetter:

– Under testene la vi merke til at bulkmotstanden ble ubetydelig under 15 mikrometer. Ytelsen ble bestemt utelukkende av grensesnittmotstanden. Den var den samme for begge de to membranene.

Forskerne kom altså frem til at å gå fra syltynn til enda tynnere ikke gikk ut over ytelsen. Og det selv om materialmengden ble redusert.

Beregningene deres viste at de totale kostnadene for membranen i hydrogenbrenselcellen kan reduseres med opptil 20 prosent. Samtidig kan innholdet av det skadelige stoffet PFAS reduseres med 33 prosent. 

– Tas innovasjonene i bruk vil forskningen vi har gjort, bidra til at fremtidens rene energiteknologier blir billigere og mer bærekraftige. 

Fortin forteller at de allerede har laget membraner på 300 kvadratcentimeter og testet de nye brenselcellene hos sine partnere. Det har gitt gode resultater. Nå gjenstår det bare å undersøke levetiden til de nye membranene.

Referanse:

Yejung Choi, Patrick Fortin mfl.: The Influence of Membrane Thickness and Catalyst Loading on Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Journal of The Electrochemical Society, 2024. DOI 10.1149/1945-7111/ad8267

Artikkelen er produsert og finansiert av Sintef

Sintef er én av over 80 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff.
Her kan du lese mer om ordningen.

Les også disse artiklene fra Sintef:

• 

  Gamle diesel­lokomotiv kan bli elektriske

• 

  Dette kan være gode hjem for personer med demens

• 

  Smart oppvarming: Det er håp for eldre kontorbygg

• 

  Miniorganer kan erstatte dyreforsøk: – Disse stamcellene kan bli til nesten alt mulig i kroppen

• 

  Skolebygg påvirker elever og lærere

• 

  Denne teknologien kan femdoble effekten fra jordvarme

Les flere saker fra Sintef her.

forskning.no vil gjerne høre fra deg!
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER