En metod som banar väg för bättre bränslecellsdrivna fordon

Vätgas är ett drivmedelsalternativ som blir allt vanligare för tung fordonstrafik. Vätgasdrivna fordon avger endast vattenånga som avgas, och 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 och sedan lagras.

Vissa typer av vätgasdrivna fordon använder sig av så kallade bränsleceller. Dessa typer av fordon begränsas dock av en relativt kort livslängd. Anledningen är att bränslecellens elektroder och membran bryts ned över tid. Det är detta problem som Chalmersforskarnas nya studie tar sig an.

Forskarna har tagit fram en ny metod för att studera vad det är som påverkar bränslecellens åldrande genom att följa en specifik partikel i bränslecellen under användning. De har monterat isär bränslecellen med jämna intervaller, och har med hjälp av avancerade elektronmikroskop sedan kunnat följa hur katodelektroden bryts ned på specifika områden under användningscyklerna. Tidigare studier har gjorts på så kallade halvceller, vilka kan liknas vid en halv bränslecell och genomförs under förhållanden som skiljer sig markant från den riktiga bränslecellen. 

Bättre förståelse med ny experimentell metod

– 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.

Hans forskargrupp har kunnat utforska hur materialet i bränslecellen bryts ned på både nano- och mikronivå, och exakt när och var nedbrytningen sker. Detta ger värdefull information inför utvecklandet av nya och förbättrade bränsleceller med längre livslängd.

– Från att man tidigare bara tittat på hur bränslecellen åldrats efter användning, har vi nu kunnat titta in i mitten av skeendet, säger doktoranden Linnéa Strandberg. 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.

Bränsleceller med längre livslängd ett viktigt mål

Det amerikanska energidepartementet (DOE) har pekat ut förbättrad livslängd för bränsleceller som ett av de viktigaste målen att nå innan bränslecellsdrivna vätgasfordon kan bli kommersiellt framgångsrika. Enligt branschen behöver en lastbil kunna klara 20 000 – 30 000 timmars körtid under sin livstid, och dit når inte en bränslecellsdriven vätgaslastbil idag.

– Vi har nu lagt en grund som man kan bygga vidare på för utvecklandet av bättre bränsleceller. Nu vet vi mer om processerna som sker i bränslecellen och när de uppstår. Metoden kommer framöver att användas för att utveckla och studera nya material som kan ge bränslecellen en längre livslängd, säger Björn Wickman.

Så fungerar en bränslecell

Kärnan hos en bränslecell utgörs av tre aktiva skikt; två elektroder – anod respektive katod – med ett jonledande membran i mitten. Varje enskild cell ger en spänning på cirka 1 volt. Elektroderna innehåller katalysatormaterial och till dem tillförs vätgas respektive syrgas. Av den elektrokemiska processen som uppstår genereras rent vatten och elektricitet som kan användas till att driva ett fordon. 

Mer om forskningen:

Forskargruppen på Chalmers som utvecklat metoden består av doktoranden Linnéa Strandberg och docent Björn Wickman, båda vid institutionen för fysik, Victor Shokhen, tidigare postdoktor vid institutionen för fysik, och Magnus Skoglundh, professor vid institutionen för kemi och kemiteknik.

Forskningen har presenterats i tre olika vetenskapliga artiklar:

• Carbon Support Corrosion in PEMFCs Followed by Identical Location Electron Microscopy, ACS Catalysis, 16 maj 2024.
• Fuel cell electrode degradation followed by identical location transmission electron microscopy, Journal of Material Chemistry A, 4 september 2023
• Impact of Accelerated Stress Tests on the Cathodic Catalytic Layer in a Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell Studied by Identical Location Scanning Electron Microscopy, ACS Applied Energy Materials, 18 augusti 2022

Projektet har finansierats av Stiftelsen för Strategisk Forskning och Vetenskapsrådet och genomförts inom Kompetenscentrum för katalys på Chalmers tekniska högskola, med ekonomiskt stöd av Energimyndigheten och medlemsföretagen Johnson Matthey, Perstorp, Powercell, Preem, Scania CV, Umicore och Volvo Group. 
Svepelektronmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi utfördes vid Chalmers Materialanalyslaboratorium (CMAL).