Ph.d.-forsvar: For meget syrebevægelse fører til fatale nedbrud i brændselsceller

torsdag 15 mar 18

Ph.d.forsvar

Hans Becker forsvarer sin Ph.d.-afhandling: "Phosphoric Acid Issues in High Temperature Polymer Electrolyte Membranes” tirsdag den 27. februar 2018

Hovedvejleder: Professor Qingfeng Li, DTU Energi. Medvehleder: Professor Jens Oluf Jensen, DTU Energi.

Hans Becker har forsvaret sin ph.d.-afhandling om "Phosphoric Acid Issues in High Temperature Polymer Electrolyte Membranes" hos DTU Energi. I sin afhandling viste han, hvorfor visse typer af brændselsceller altid har fatale nedbrud, og hvordan vand kan enten helbrede problemerne eller skabe yderligere problemer.

En afgørende del af brændsels- og elektrolyseceller er en elektrolyt. Et stof, der tillader specifikke ioner at passere gennem sig, men som ikke leder elektroner. I højtemperatur-polymer-brændselsceller (HT-PEMFC) er elektrolytten fosforsyre, som holdes på plads ved at være absorberet i en polymermembran. Da elektrolytten er en væske, vil dens positivt ladede kationer og negativt ladede anioner frit kunne bevæge sig i hver sin retning, når der er en elektrisk spænding hen over membranen, hvilket skaber en strøm.

Dette er lærebogsviden for kemikere, der arbejder med elektrokemiske celler, men for det meste bekymrer de sig ikke om, at fosforsyren rent faktisk langsomt bevæger sig mod den negative elektrode, når en HT-PEMFC-brændselscelle er i drift.

"Der sker en gradvis ophobning af syre i den ene ende af systemet, og når jeg siger gradvis svarer det til en til fire procent af den strøm, cellen leverer", forklarer Hans Becker, 26 år og fra Indonesien, der for nylig forsvarede sin ph.d.-afhandling "Phosphoric Acid Issues in High Temperature Polymer Electrolyte Membranes" på DTU Energi.

"Folk holdt op med at bruge PFSA i brændselsceller trods dets kvaliteter på grund af uforklarlige sammenbrud. Nu har vi for første gang vist, hvad der sker"
Hans Becker, tidl. Ph.d.studerende ved DTU Energi

Normalt skaber den langsomme syrebevægelse ingen problemer, da ophobningen af syre for det meste udjævnes af syrens naturlige tilbagestrømning internt i systemet. Men når cellen er i drift ved høje strømpåvirkninger, kan syrebevægelsen føre til fatale nedbrud, hvor hele cellen holder op med at virke på grund af for stor syremæssig ubalance i systemet.

15 gange højere migration

I Hans Beckers projekt lavede han en opstilling bestående af en segmenteret trelags membrankonfiguration med tynde tråde imellem, præcis som en sandwich. Ved at anvende og måle strømmen i cellen kunne han måle syrens migrationsaktivitet i en fungerende celle.

Han undersøgte bl.a., hvordan forskellige membrantykkelser, fugtigheder og temperaturer influerede på processen og fandt ud af, at syremigration fandt sted i systemer med membraner af polybenzimidazol (PBI)  og af poly(perfluor-sulfonsyre) (PFSA). Der var kun en meget lille syremigration i de PBI-baserede systemer, mens der var op til 15 gange højere migrationsaktivitet i PFSA-baserede systemer.

PFSA doteret med fosforsyre (PFSA-PA) er blevet betragtet som ideel til membraner til brændselsceller og elektrolyseceller, da systemet har god ledningsevne og i teorien en meget god ydeevne. I en operationel virkelighed bryder PFSA-PA membranerne altid sammen.

"Folk holdt op med at bruge PFSA trods dets kvaliteter på grund af uforklarlige sammenbrud. Nu har vi for første gang vist, hvad der sker, idet vi målte en 15 procents syremigration i PFSA sammenlignet med de 1-4 procent i PBI, og den naturlige tilbagestrømning i cellen kan ikke holde trit med en så høj syremigration. Så falder ydeevnen og i sidste ende bryder hele cellen sammen på grund af en overvægt af syre i den ene ende af systemet og for lidt i den anden, "siger Hans Becker.

Resultaterne giver en forklaring på, hvorfor PBI-baserede PEM-brændselsceller med høj temperatur (HT-PEMFC) kan fungere meget længe, mens PFSA-baserede HT-PEMFC har funktionsfejl næsten øjeblikkeligt.

Vand kan rense systemet

Hans Becker testede også virkningen af at tilføje vand til en PFSA-PA-membran, og det viste sig at vand kan hele og reparere PFSA-systemet. Vand ændrer hele kemien inden i cellen, så det bliver muligt at øge cellestrømmen ti gange fra 20 til 200 milliampere. Det er ingen stor nyhed, idet PFSA oprindeligt blev brugt med vand, men mange forskere flyttede fokus og undlod at bruge vand i systemet.

Vand giver også bedre ydelse i fosforsyrebaserede membraner, da det både modvirker og undertrykker syrekondensation fra høj luftgennemstrømning. Høj luftgennemstrømning fører til højere ydelse af cellen, men kan medføre højere syrekondensation. Hvilket har gjort, at man som oftest begrænser lufttilførslen.

"Ved at bruge vand i systemet til at undertrykke syrekondensering, får vi kun fordelene og ikke ulemperne ved at benytte høj luftgennemstrømning", forklarer Hans Becker.

Efter det succesfulde ph.d.-forsvar overvejer Hans Becker nu sine karrieremuligheder. Han er bl.a. i kontakt med et japansk universitet om en postdoc-stilling. Som indoneser vil en tilbagevenden til Asien være fint, da det vil bringe ham tættere på hans familie, men han har nydt sit ophold i Danmark og har lært meget.

"Jeg tog kandidat i kemiteknik ved Hong Kong University of Science and Technology inden for et helt andet forskningsemne, så jeg vidste ikke meget om brændselsceller, før jeg ankom til DTU. Jeg har lært en hel del her, og jeg vil gerne fortsætte med at forske i elektrokemiske celler, da jeg synes de har et stort potentiale. Men nu får vi at se, hvad fremtiden bringer.", siger Hans Becker.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.
http://www.energy.dtu.dk/nyheder/Nyhed?id=%7B83AFF8C3-A7E1-409A-8B65-29AE8E5D7559%7D
23 APRIL 2019