Nästa generations bränsleceller – med hållbara material

Flera av bränslecellens komponenter är antingen kostsamma eller innehåller sällsynta element. Men nu har ett forskarteam från Chalmers tagit fram ett protonledande material som kan bidra till utvecklingen av en billigare, miljövänligare och tåligare bränslecell.

Under flera år har Anna Martinelli studerat proton ledande vätskor. Med fokus på både framställningen och karakteriseringen har hon bland annat tittat på kombi nationen av membraner och jonvätskor. Tillsammans med hennes Chalmerskollega Tiina Nypelö, som har erfarenhet av att skapa filmer av cellulosa, har strävan varit att bidra till en ny generations bränsle celler. Målet har varit ett mate rial som, genom sin tålighet för höga temperaturer och goda ledningsförmåga, kan bidra till en mer prisvärd och effektiv bränslecell än den som finns tillgänglig i dag.

Enkelt beskrivet kan man säga att bränslecellen omvandlar den kemiska energin i exempelvis vätgas till elektricitet. Tack vare dess positiva egenskaper, som den höga verkningsgraden och de rena biprodukterna, är potentialen att slå igenom som en framtida energiomvandlare stor. Samtidigt brukar bränslecellsteknologin kännetecknas av höga produktionskostnader och sällsynta råvaror.

– Det protonledande membranet består ofta av perfluorerade polymer som i hydrerad form har en verkningstemperatur begränsad till 80 grader. Därför behövs dyra ädelmetall er, samt komplexa återfuktningssystem för att motverka uttorkning, förklarar Anna Martinelli.

Anna Martinellis och Tiina Nypelös ambition har varit att hitta lösningar på bränslecell ens problem och samtidigt höja hållbarhetsaspekten. I två år har de arbetat med att utveckla ett funktionellt membran base rat på cellulosa. Medan Tiina Nypelö har bidragit med idén att använda nanokristaller av cellulosa så har Anna Martinelli modifierat membranet för att möjliggöra upptagningen av protisk jonvätska – en vätska som framgångsrikt leder protoner och dessutom är stabil vid höga temperaturer.

– Det originella i vår forskning är att vi har kombinerat cellulosan med protiska jonvätskor. Där har en viktig aspekt varit att hitta den rätta jonvätskan som kan leda pro toner utan att lösa upp cellulosan. Vi har fått fram positiva resultat som bland annat visar på att jonledningsförmågan är i klass med andra redan kända polymerelektrolyter och att den termiska stabiliteten når upp till 200 grader, vilket är långt över vårt mål som låg på 120 grader, berättar Anna Martinelli.

Det nya hybridmembranet har blivit utsatt för preliminära tester och framgångsrikt visat sig kunna omvandla vätgas till elektricitet i en enklare bränsle cell. Resultatet visar på ett nytt materialkoncept enligt Anna Martinelli och Tiina Nypelö och har stor potential. Men om de har funnit den ultimata sammanställningen av proton ledande membran låter de vara osagt. Istället förklarar de att deras arbete har många möjligheter för vidareforskning.

– Genom att optimera valet av jonvätska och membranets struktur så kommer membranet som vi har utvecklat att kunna prestera ännu bättre än vad vi hittills har lyckats bevisa. Det är så spännande och givande att se membranet av cellulosa hamna i ett sammanhang fokuserat på energi, säger Tiina Nypelö.