Bränsleceller kan driva tåg, färjor eller lastbilar. De kan användas för småskalig kraftvärmeproduktion – utan andra utsläpp än vatten. Nu ökar intresset för tekniken som kan snabba på omställningen till ett fossilfritt energisystem.

Vätgas blir allt intressantare som energibärare i ett framtida hållbart energisystem, i takt med att oron ökar för den klimatpåverkan som fossila bränslen medför.

Sommaren 2020 meddelade EU-kommissionen att man med en satsning på 430 miljarder euro fram till år 2030 vill göra Europa ledande när det gäller förnybar vätgasframställning. Stödet ska användas till att installera elektrolysörer, i vilka vätgas kan framställas med hjälp av förnybar elektrisk energi, utan att ge fossila utsläpp.

Flera europeiska länder har också egna nationella vätgasstrategier. I februari gav regeringen Energimyndigheten i uppdrag att ta fram en svensk strategi.

Vätgas är en mycket viktig komponent i en lång rad kemiska industriella processer. Den kan till exempel användas för att framställa transportbränslen, men också för att generera el i olika typer av bränsleceller.

Möjligheten att använda bränsleceller för framdrift utvärderas nu i stort sett för alla typer av fordon och farkoster.

Bränsleceller kan i princip nyttjas varhelst el behöver genereras och de har i dag en rad användningsområden.

Bränsleceller har en hög energitäthet och ger inga farliga emissioner. Tekniken är skalbar och ofta modulbyggd. Den återfinns därför i allt från små portabla mobiltelefonladdare med en effekt på några få watt, till stora stationära bränslecellskraftverk med en elektrisk effekt på tiotals megawatt.

I effektområdet däremellan hittar vi en rad intressanta exempel bland annat från transportsektorn, där man nu i många fall strävar efter en högre grad av elektrifiering. Möjligheten att använda bränsleceller för framdrift utvärderas nu i stort sett för alla typer av fordon och farkoster.

I vissa fall handlar det om rena forsknings- eller demonstrationsprojekt, medan andra är mer eller mindre kommersiella.

Flera personbilstillverkare stoltserar med bränslecellsmodeller, till exempel Honda, Toyota och Hyundai. Den elektriska effekten på bränslecellen ligger i dessa bilar på cirka 100 kW. Intresset från tillverkare av tyngre fordon, som Scania och AB Volvo, är också stort. Då bränsleceller har en betydligt högre energitäthet än batterier, möjliggörs elektrifiering också av tungt lastade fordon på långa körsträckor.

I Tyskland har dieseldrivna lok ersatts av världens två första vätgaståg, Coradia iLint, tillverkade av Alstom. Tågen har en räckvidd på cirka 80 mil och går sedan ett par år i passagerartrafik på en åtta mil lång linje i nordvästra Tyskland. Vid en av ändstationerna finns en vätgastankstation som har byggts och drivs av gasföretaget Linde. Ytterligare 14 tåg är beställda av regionen.

Även för transporter på vatten och i luften märks intresset för bränsleceller. I det så kallade Water-go-round-projektet i San Francisco bay körs den första kommersiella bränslecellsfärjan i världen. Inom flygindustrin arbetar man hårt med kravet på att sänka sina utsläpp.

Enligt Airbus är vätgas framtidens bränsle för flyget och de har lanserat tre olika koncept för vätgasflygplan. Dessa tre bygger dock på förbränning av vätgas, men intresse för bränsleceller i framtida plan finns också.

Att det är möjligt att köra flygplan med hjälp av bränsleceller, visade den brittiska flygplanstillverkaren Zeroavia i somras, då bolaget för första gången i världen provflög sitt bränslecellsdrivna passagerarplan.

Turen varade inte mer än knappt tio minuter, men är ett bevis på att tekniken fungerar även för lufttransporter.

Bränslecellssystemet på 100 kW kom i detta fall från det svenska företaget Powercell.

Som framgår av exemplen, så är det sedan länge visat att bränslecellstekniken fungerar och kan användas i alla möjliga olika sammanhang. En fråga är då varför vi inte ser mer av dessa. Som så ofta vid introduktionen av alternativa tekniker anses kostnaden vara en stötesten, en annan är bränslecellernas livslängd.

Över lag så ligger ett stort fokus på att ta fram och utveckla nya cellkomponenter och material.

Det går dock inte att sätta ett generellt mål för pris eller livslängd, då dessa kommer att bero väldigt mycket på användningsområde för bränslecellen. Exempelvis så har amerikanska energidepartementet satt ett mål för år 2020 på 5 000 timmars livslängd för en bränslecell i en personbil, medan man allmänt anser att minst 40 000 timmar krävs för bränsleceller i stationär kraftproduktion. Det senare är något som redan uppnås av åtminstone smältkarbonatbränslecellen och fosforsyrabränslecellen, två bränslecellstyper lämpliga för storskalig kraftproduktion.

Utöver kostnad och livslängd ställs förstås även krav på att de material som används i bränslecellerna ska vara hållbara också ur ett samhälls- och miljöperspektiv. Så vad görs då inom forskningen för att möta dessa krav?

Över lag så ligger ett stort fokus på att ta fram och utveckla nya cellkomponenter och material, men det läggs också vikt vid att bygga kunskap, även på systemnivå. Det senare gäller själva bränslecellen och dess kringutrustning, men också hur bränslecellen passar in, sett ur ett större energisystemperspektiv.

Forskare vid KTH har under flera decennier forskat på och hunnit arbeta inom ett brett spektrum av forskningsfrågor gällande olika typer av bränsleceller. Huvudfokus ligger i dag på polymerelektrolytbränsleceller.

I några olika forskningsprojekt finansierade av Stiftelsen för strategisk forskning och Energimyndigheten, sker arbetet tillsammans med grupper på Chalmers och Lunds universitet, för att utveckla nya katalysatorer respektive polymerelektrolyter.

Ett sätt att få ner kostnaden för bränslecellen är att reducera mängden platina i elektroderna, till exempel genom legering. Katalysatorer av flera legeringar (till exempel platina-yttrium, platina-gadolinium, platina-terbium) ger vid bränslecellstester flera gånger högre elektrokemisk aktivitet än ren platina, samtidigt som mängden platina minskas.

Helst vill man dock undvika ädelmetaller helt och hållet. Genom att byta ut den sura protonledande elektrolyten till ett anjonledande membran öppnas nya möjligheter. Den alkaliska miljön möjliggör användning av platinafria katalysatorer, som silver och nickel, vilket minskar kostnaden. Tack vare en mindre korrosiv miljö kan också hållbarheten hos cellkomponenterna förbättras. Denna typ av bränslecell är relativt ny och lider ännu av begränsningar i form av dålig jonledningsförmåga, katalysatoraktivitet och långtidsstabilitet, men intresset är stort inom forskarvärlden. Så också i Sverige.

Nya typer av anjonledande membran och jonomerer för elektroden, baserade på aromatiska polymerer och med olika typer av funktionella grupper, har tagits fram på Lunds universitet och utvärderats i bränslecell på KTH. Det görs också studier av flera olika slags katalysatorer för bränslecellstypen.

Vid byte från sur till alkalisk miljö ändras också de delreaktioner som sker på elektroderna. Vatten kommer att produceras på anoden och konsumeras på katoden. Hur vattnet kan transporteras genom cellen påverkar elektrodreaktionerna och cellens prestanda och studeras med hjälp av matematiska modeller.

KTH-forskarna samarbetar med många av de svenska företagen inom området. Bland dem hittar vi bränslecellstillverkare som Powercell och MyFC, material- och komponenttillverkare som Sandvik och Cell Impact, och fordonstillverkare som Scania.

 

Sammanfattningsvis ses ett markant ökat intresse för vätgas, bränsleceller och elektrolys, såväl från industri och forskningsfinansiärer som från samhället i stort. Flera stora projekt har dragits igång de senaste åren.

Ett exempel är Hybrit, med syftet att få en mer miljövänlig järn- och stålframställning genom att ersätta stora mängder kol med vätgas framställd genom elektrolys. Ett annat exempel är Push, där hela kedjan från produktion av vätgas med elektrokemisk teknik, via lagring i vätskeformiga organiska vätebärare, till användning av vätgasen i bränsleceller, ska studeras.

Projekten spänner över breda områden och skapar nya spännande samarbeten.

Vätgas omvandlas till elektrisk energi

Bränslecellen är en energiomvandlare där den kemiska energin i bränslet (vätgasen), med hjälp av elektrokemiska reaktioner, kan omvandlas till elektrisk energi.

Cellen består, i likhet med ett batteri, av två elektroder med mellanliggande elektrolyt. Bränslet tillförs och reagerar på anoden, medan syre (som oftast tas direkt ur luften) reagerar på katoden. De två elektroderna deltar inte själva i reaktionerna, utan utgör endast katalysator för dessa. Tack vare en potentialskillnad mellan de två elektrodreaktionerna, rör sig elektroner och joner via olika vägar från den ena elektroden till den andra.

Bland bränslecellerna hittas en rad olika varianter. Beroende av material i elektroder och elektrolyt får de olika egenskaper, vad gäller utformning av cellen, arbetstemperatur och lämpligt användningsområde. Namnet på de olika bränslecellerna avslöjar, med några få undantag, vilken typ av elektrolyt som bränslecellen har.

Bland elektrolyterna återfinns såväl vätskor och saltsmältor som ledande polymerer och fasta oxider, men gemensamt för dem är att de måste vara jonledande.

Arbetstemperaturen för bränslecellen avgörs till stor del av materialet i elektrolyten och dess jonledningsförmåga. Bränsleceller med saltsmälte- eller fastoxidelektrolyt måste typiskt upp i temperaturer högre än 600 °C, medan övriga bränsleceller alla arbetar under cirka 200 °C.

Temperaturen har också en stor inverkan på vilka katalysatormaterial som används i elektroderna. Ju högre temperatur i cellen, desto lägre är behovet av ädelmetaller som katalysator i elektroden.

Under senare år har polymerelektrolytbränsleceller med protonledande elektrolyt kommit att bli alltmer dominerande, både då det gäller antal sålda enheter och installerad kapacitet. I denna bränslecell är platina en mycket effektiv katalysator.

Text: Carina Lagergren, professor i kemiteknik med inriktning mot elektrokemiska strömkällor vid KTH. Hennes forskning fokuserar främst på bränsleceller, men även på elektrolys.

Texten kommer ursprungligen från Kemisk Tidskrift nr 1 2021. Läs mer om Kemisk Tidskrift här.