Ph.d.-forsvar: Partikler og den rigtige varmebehandling vil forbedre brændselscellernes membraner

fredag 19 jan 18

Kontakt

Ph.d. forsvar

Tonny Søndergaard forsvarede sin ph.d. afhandling ”HT-PEMFC Durability and Lifetime” den 13. december 2017.

Hovedvejleder: Professor Jens Oluf Jensen, DTU Energi. Medvejledere: Seniorforsker Lars Nilausen Cleemann, DTU Energi og Professor Qingfeng Li, DTU Energi.

31-årige Tonny Søndergaard har forsvaret sin ph.d.-afhandling fra DTU Energi, ”HT-PEMFC Durability and Lifetime”, om hvordan man sikrer mere stabile brændselsceller. Han har undervejs demonstreret en rekordlav nedbrydningsrate for højtemperatur-polymer-brændselsceller (HT-PEMFC)

Brændselsceller omdanner kemisk bundet energi i et brændsel direkte til elektricitet, hvilket giver en højere virkningsgrad end ved brug af traditionelle generatorer og forbrændingsmotorer.

Lavtemperatur-brændselsceller bruger polymermembraner som elektrolyt, et vigtigt element i cellen. Sædvanligvis skal denne type brændselsceller bruge meget ren brint som brændsel ved en driftstemperatur omkring 80 °C. En særlig form for polymerbrændselscelle, hvor polymermembranen imprægneres med fosforsyre, kan imidlertid operere ved dobbelt så høj temperatur, omkring 160 °C. Disse højtemperatur-polymerbrændselsceller (HT-PEMFC) er meget mindre følsomme over for urenheder i brændslet, og man kan derfor undlade en ellers omstændelig og fordyrende oprensningsproces. DTU Energi har en af verdens førende forskningsgrupper på HT-PEMFC.

Kort før jul forsvarede 31-årige Tonny Søndergaard sin ph.d.-afhandling, ”HT-PEMFC Durability and Lifetime”, som omhandler et vigtigt aspekt af brændselscellerne: Hvordan man sikrer mere stabile brændselsceller ved at optimere de komponenter, der udgør brændselscellen, dvs. dens elektroder og den syreholdige membran.

Tonny udsatte brændselscellerne for simulerede ekstreme driftsbetingelser ved at justere på strømtæthed, gasstrømningshastighed og temperaturer og speedede derved brændselscellernes nedbrydningsprocesser i vejret. Det gav ham mulighed for at observere de ekstreme driftsbetingelsers påvirkning af cellerne, og på den baggrund kunne Tonny kæde cellernes levetid under både ekstreme og normale driftsforhold sammen med tab af fosforsyre i elektrolytten. Tonny konkluderede, at det derfor er nødvendigt at finde metoder til at fastholde syren inde i membranen, hvis levetiden for brændselsceller skal øges.

"Sådan helt naivt håber man vel på, at ens arbejde gør en forskel for samfundet, for verdenen eller bare for ens nærmeste. Det føler jeg, at mit arbejde har gjort hidtil, både på nuværende tidspunkt og under min ph.d.-studie"
Tonny Søndergaard, tidl. Ph.d.studerende på DTU Energi, nu postdoc ved DTU Mekanik

Rekordlav nedbrydningsrate

Tonny Søndergaard fastslår i sin afhandling, at en lovende metode til at formindske tabet af fosforsyre i cellerne er, at lave membranen af en særlig polymer, en krydsbundet polybenzimodazol, der har exceptionel termisk og kemisk stabilitet. Dette er ikke ny viden, men Tonny udsatte membranen for en særlig varmebehandling.

Varmebehandlingen viste sig at have en betydelig positiv effekt på cellernes levetid, hvilket kom til udtryk ved en rekordlav nedbrydningsrate, faktisk den laveste nedbrydningsrate på verdensplan for denne type brændselscelle.

Tonny undersøgte også andre alternative løsninger, hvor cellernes degradering mindskes ved at benytte kompositmembraner, der indeholdt egnede fyldstoffer jævnt fordelt i polymerfasen.

Fugt skaber pålidelige resultater

Når forskere vil undersøge nedbrydning, er det vigtigt, at de vurderer de forskellige komponenters ydeevne korrekt. Og Tonny fandt ud af, at det er nødvendigt at befugte den gas, der tilføres katodeelektroden, hvis simuleringer og undersøgelser skal være repræsentative og føre til pålidelige resultater.

”Den etablerede metode for evaluering af katalysatorers holdbarhed giver tvetydige resultater for højtemperaturbrændselsceller, hvis befugtning udelades. Dette gør sig gældende, selvom det ikke under normal drift er nødvendigt at tilføre fugt til cellerne”, siger Tonny Søndergaard.

Efter overstået ph.d.-forsvar nu er Tonny nu ansat som postdoc hos DTU Mekanik.

”Lige nu er jeg involveret i et industriprojekt i samarbejde med Elplatek, SiOx og Alfa Laval, hvor vi har op til seks måneder til at reducere frigivelsen af kobber og andre metaller fra varmevekslerkomponenter og drikkevandsinstallationer. Sådan helt naivt håber man vel på, at ens arbejde gør en forskel for samfundet, for verdenen eller bare for ens nærmeste. Det føler jeg, at mit arbejde har gjort hidtil, både på nuværende tidspunkt og under mit ph.d.-studium. Som sådan vil jeg da heller ikke afskrive, at jeg er færdig med at arbejde med brændselsceller, da jeg syntes, der er stort potentiale i det, som de kan være medvirkende til. Desuden skulle jeg mene, at jeg efterhånden ved en ting eller to om brændselsceller, som der måske ville kunne blive brug for”, siger Tonny Søndergaard med et smil.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.