Ei hinne for hydrogen

Den slipper gjennom hydrogen, og holder klimagassene tilbake. En rekordtynn membran kan gi renere og billigere drivstoff til brenselceller kombinert med CO2-fangst.

Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.

Forskere ved SINTEF har helt siden 1990 forsket på hvordan naturgass bedre kan utnyttes. Blant resultatene er en membran som bare er to tusendels millimeter tykt, og som kan få stor betydning for framstilling av hydrogen til brenselceller i for eksempel biler og elektronikk.

I et forsøk har de fått hele 2,5 liter hydrogengass i minuttet gjennom en membran som ikke hadde større flate enn et frimerke. For å få til det, måtte gassen presses gjennom hinna med et trykk som er 25 ganger høyere enn lufttrykket ved havoverflaten.

Thijs Peters, SINTEF, med en membran av palladium-sølv på en silisium-skive. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Thijs Peters, SINTEF, med en membran av palladium-sølv på en silisium-skive. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

- Dette er verdensrekord, og hadde ikke vært mulig uten at membranen var så tynn og sterk, forteller Thijs Peters, forsker ved SINTEFs avdeling for energikonvertering og materialer.

Han holder en silisiumskive som membranen er framstilt på. En del av hemmeligheten med framstillingen er å få så tynne membraner til å løsne fra silisiumplaten.

For biler og elektronikk

- Denne membranen gjør det mulig å filtrere ut hydrogenet til bruk i brenselceller, for eksempel i biler, PC-er og annen elektronikk, sier forskningssjef Rune Bredesen, som har arbeidet med denne forskningen på SINTEF siden 1990-tallet.

- Det er en fordel, for da kan hydrogenet framstilles fra naturgass i lokale fyllestasjoner for hydrogen. Slike installasjoner finnes allerede i Japan, men membranene de bruker er tykkere, forteller han.

Karbonfangst

Hittil har det vært en stor ulempe med å framstille hydrogenet lokalt på denne måten. I omdanningen lages nemlig drivhusgassen karbondioksid. Dermed forsvinner mye av miljøgevinsten ved brenselceller.

Men ved å filtrere ut hydrogenet, blir drivhusgassene værende igjen inne i det lukkede systemet bak membranen. Det må altså ikke samles opp etterpå. Det er allerede fanget.

- Denne metoden kan derfor bli aktuell for storskala hydrogenproduksjon, eller for bruk i kraftproduksjon med CO2-fangst, hvor hydrogenet brennes i en gassturbin for å lage strøm, sier Bredesen.

Hydrogensvampen

Rune Bredesen (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Rune Bredesen (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Membranen som Bredesen og Peters har vært med på å utvikle, lages av en legering av palladium og sølv. Sølvet brukes til å øke gjennomstrømningen av hydrogen, og palladium er det viktige stoffet for selve filtreringen.

Palladium er et sølvhvitt metall. Det ligner på platina, men er bløtere. Palladium har også en helt spesiell og merkelig egenskap: Det kan suge til seg 900 ganger sitt eget volum med hydrogengass.

- Når det skjer, sveller palladium litt opp. Vi kaller palladium for en hydrogensvamp, forteller Bredesen.

Men svampen kan krystes. Hvis det er en trykkforskjell mellom de to sidene av membranen og temperaturen er høy nok, presses hydrogengassen gjennom, mens andre stoffer holdes tilbake.

Tynnere og hetere

- Palladium er et dyrt metall. De tynneste membranene blir derfor de billigste, og filtrerer samtidig mest hydrogen. Dette blir en vinn-vinn-situasjon, sier Peters.

Forskerne arbeider også for å øke temperaturen under filtreringen. Da blir gjennomstrømningen enda høyere, men det kan føre til at hydrogenet blir ikke fullt så rent.

Likevel er renheten høy, opp mot 99,999 prosent. Dette er viktig for brenselcellene. De blir nemlig lett ødelagt hvis de utsettes for karbonmonoksid eller andre forurensinger.

Sky av palladium-sølv

Figuren viser hvordan membranen av palladium-sølv avsettes på en silisiumskive (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter original fra SINTEF)
Figuren viser hvordan membranen av palladium-sølv avsettes på en silisiumskive (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter original fra SINTEF)

- Vi framstiller de tynne membranene på en spesiell måte, som kalles magnetron-sputtering. Deler av prosessen er hemmelig, forteller Bredesen.

I et vakuumkammer ligger en rund, tykk skive av materialet som membranen skal lages av, palladium-sølv.

Skiven er negativt ladet, og trekker til seg en strøm av positivt ladet argongass. Argonatomene slår løs palladium- og sølvatomer fra skiven. Denne skyen av palladium-sølv avsettes på en annen skive av rent silisium.

- Det blir omtrent som når det dugger på kaldt metall. Dugget av palladium-sølv blir til ei tynn hinne. Vår spesielle prosess gjør det mulig å løsne denne hinna fra silisiumskiven når den er så tynn som to mikron, sier Bredesen.

I flater eller på rør

De tynne filmene kan så bli lagt på bærere med mikrokanaler, eller tvinnes rundt rør av en spesiell type porøst stål, som slipper gasser gjennom.

- Rørene gir et solid underlag, slik at gasstrykket mot membranen kan gjøres høyere og filtreringen gå fortere, sier Peters.

Når bånd av membranen tvinnes rundt rørene, smelter lagene fast i hverandre, slik at det ikke blir noen utette skjøter. SINTEF-forskerne er nå sikre på at de kan rørene så lange som de vil.

Thijs Peters, SINTEF med en membran av palladium-sølv tvinnet rundt rør av porøst stål (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Thijs Peters, SINTEF med en membran av palladium-sølv tvinnet rundt rør av porøst stål (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Først i mindre skala

 - Dette er en lovende framtidsteknologi. Men for at membranen skal kunne brukes til store kraftanlegg, må vi framstille arealer på opptil 5000 kvadratmeter, forteller Bredesen.

 I første omgang vil derfor teknologien trolig bli brukt der membranene kan ha mindre areal, for eksempel fyllestasjoner for hydrogenbiler og elektronikk drevet med brenselceller.

Men utsiktene til enklere og mindre energikrevende karbonfangst har i mange år sikret SINTEF-forskerne støtte fra både oljeselskaper, Forskningsrådet og EU. Støtten har de fått i skarp konkurranse med mange andre forskningsgrupper.

- Vi vil nå utvikle teknologien fra laboratoriet til full industriskala. Vi må bevise at membranen gjør nytten i praksis, avslutter Thijs Peters og Rune Bredesen.

 Hydrogen på lang sikt

- Denne teknologien er veldig spennende, fordi den kan representere et gjennombrudd på veien mot fremtidens hydrogensamfunn, sier Karl Kristensen. Han arbeider med industriell ressurseffektivitet og petroleumsspørsmål i Bellona.

Kristensen mener at hydrogen på sikt vil bli en viktig energibærer. Men foreløpig er løsninger for transport, lagring og utnyttelse av hydrogen i en brenselcelle ikke gode nok.

- Ett av de store problemene med hydrogen er nemlig at det løser seg i metallet i transportrørene eller tanken der det oppbevares. Dermed blir materialet i tanken sprøtt, og begynner å lekke hydrogen, forteller han.

- Av samme grunn fører frakt av hydrogen gjennom rørledninger over store avstander til betydelig transporttap. Derfor er det viktig med metoder som gjør det mulig å lagre hydrogenet i stabile forbindelser, helst klimanøytral biogass eller biodiesel, og så hente ut hydrogenet rett før bruk, sier Kristensen.

- Membranteknologien muliggjør også CO2-separasjon uten et kjemisk rensetrinn. Dette reduserer ikke bare forurensinger og avfall knyttet til CO2-håndtering, men kan også vise seg å være mer kostnadseffektivt enn dagens alternativer, påpeker Kristensen.
 

Powered by Labrador CMS