Vätgasproduktion är en stor och växande industri. Vätgasekonomin tros bli en stor del av den framtida lågkoldioxidekonomin, som så småningom kan fasa ut fossila bränslen som vår primära energikälla och dämpa den globala uppvärmningen. En av de främsta fördelarna med vätgas är dess lämplighet för ett brett spektrum av bränslecellsapplikationer.

De applikationer där bränslecellsteknik används kan delas in i tre huvudkategorier: bärbar energiproduktion (för mobila enheter och bärbar reservenergi), stationär energiproduktion (distribuerad energiproduktion, reservenergikällor och nätanslutna kraftverk) och transport (bilar, kollektivtrafik och tunga maskiner). En av de viktigaste drivkrafterna för marknadstillväxt är bilindustrin, som bedriver intensiv forskning i syfte att driva på bränslecellstekniken på bilmarknaden.

Driftprincip 

Bränsleceller omvandlar kemisk energi till elektrisk energi utan någon förbränningsprocess. Bränslecellens funktionsprincip är baserad på reduktions-oxidationsreaktioner. Energin frigörs i reaktioner som sker mellan vätgas och syrgas. Denna direkta process har fördelen av hög energieffektivitet: över 50 % och upp till hela 85 % om den biproducerade värmeenergin dessutom återvinns. När det gäller elproduktion överskrider detta effektiviteten i alla förbränningsprocesser.

Andra fördelar inkluderar nollutsläpp på driftplatsen och tystgående drift. De många olika bränslecellsteknikerna har alla sina specifika styrkor och svagheter. De tre huvudsakliga teknikerna på marknaden idag skiljer sig åt beroende på protonbärarmediet: PEM-bränsleceller (polymerelektrolytmembran), fastoxid (SO) och smält karbonat (MC). Av dessa är PEM-tekniken den mest mångsidiga när det gäller applikation, på grund av dess låga drifttemperatur (100  °C), vilket gör den lika lämplig för användning i små som storskaliga bränsleceller. Fastoxidbränsleceller involverar höga temperaturer och är bäst lämpade för storskaliga applikationer såsom distribuerad energiproduktion. Medan PEM-bränsleceller använder ren vätgas, kan SOFC-bränsleceller använda naturgas eller andra kolväten, från vilka vätgasen utvinns i reformeringsprocessen. Den höga drifttemperaturen hos SOFC-bränsleceller gör det lättare att integrera reformeringssteget i bränslecellsenheten. 

Funktionsprincipen för en PEM-bränslecell beskrivs i figur 1. När vätgasbränslet delas upp i protoner (vätgasjoner) och elektroner vid anoden, transporteras elektronerna till katoden över en extern krets, som genererar en elektrisk ström. De positiva laddningsbärarna (vätgaskärnorna) transporteras genom det fuktiga membranet på katoden, där de reagerar med syrgas och bildar vatten. Denna reaktion producerar elektricitet och värme.

Image

Figur 1: Funktionsprincip för en PEM-bränslecell. Vätgasbränsle reagerar vid anoden och bildar elektroner och vätgaskärnor. Dessa kärnor transporteras genom ett laddningsbärarmedium till katoden, där de reagerar med syrgas för att bilda vatten. Elektroner färdas genom den externa kretsen och skapar elektrisk ström.

Maximera en bränslecells effektivitet 

Bränslecellseffektiviteten begränsas av olika förlustkällor: aktiveringsförluster som dikteras av katalysatorernas katalytiska reaktion och tillstånd, ohmska förluster som sker i transportmediet under protontransport, koncentrationsförluster på grund av begränsad massöverföringshastighet till reaktiva ytor och interna strömmar som uppstår när bränsle diffunderar genom membranet utan att reagera. Mekanismerna bakom förlusterna är relaterade till vatten- och temperaturhantering i cellen. Om temperatur och fukt inte kontrolleras väl, bidrar katalysatorernas och protontransportmediets åldrande till ökade förluster, minskad effektivitet och, så småningom, till att cellen förstörs. 

Mindre PEM-celler kräver vanligtvis inte luftfuktning men i större celler, som bär högre strömmar, kan polymermembranet behöva reaktantluftfuktning för att förhindra att membranet torkar ut under belastning. Protonbyteskapaciteten står i direkt proportion till polymerfukten och torr polymer kommer att begränsa reaktionshastigheten och orsaka förluster i cellen. 

En annan faktor som hänför sig till torr polymer är dess livslängd, vilket är någon man tar mycket hänsyn till under utformningen av bränsleceller. Å andra sidan, om det bildade vattnet inte avlägsnas tillräckligt från cellens katodsida leder vattenöversvämning till icke-optimal drift av cellen. Fuktighetsmätning i bränsleströmmen hjälper till att kontrollera fuktighetsprocessen, uppskatta massbalanser för vatten och upprätthålla korrekt membranfuktighet. 

För att förbättra reaktionseffektiviteten kan rikliga mängder reaktionsgaser komma att ledas till de katalytiska ytorna. Fuktigt, oreagerat bränsle från anodutloppet kan återcirkuleras till anodinloppet för att fukta bränsleströmmen. Denna återcirkulation kan orsaka en ansamling av föroreningar, vilket är särskilt skadligt när det gäller PEM-bränsleceller. 

Förutom bränsleströmsfuktighetsreglering kan fuktighetsmätningar i anod- och katodströmmar användas vid föroreningsmätningar – när man känner till vätgasens och vattnets totaltryck och partialtryck kan man uppskatta partialtrycket av föroreningar i cirkulationen.
 

Probuppvärmningstekniken bidrar till att övervinna mätningsutmaningar i miljöer med hög luftfuktighet 

Fuktighetsmätningar i bränslecellsapplikationer utförs i en miljö med hög fuktighet, normalt över 80 % relativ luftfuktighet. Att utföra fuktighetsmätningar i miljöer som är nära kondenserande är en utmanande uppgift, eftersom kondens kan mätta sensorn för relativ luftfuktighet. Att torka och återställa sensorn kan ta lång tid, och under den tiden är mätningen inte tillgänglig och bränsleströmmens fuktighet kan inte kontrolleras. 

Vaisalas probuppvärmningsteknik erbjuder ett sätt att övervinna denna utmaning eftersom den relativa luftfuktigheten kan sänkas under kondenseringsnivån, genom att värma sensorelementet över omgivningstemperaturen. Med en extra temperatursensor placerad nära fuktighetssensorn kan även den faktiska processtemperaturen mätas. Genom att kombinera dessa två värden kan den faktiska relativa luftfuktigheten i högfuktighetsprocessen beräknas. Samtidigt förhindras kondensproblemet. 

VTT, som är en av Finlands ledande forskningsorganisationer, bedriver både lågtemperatur- (PEM) och högtemperatur- (SOFC) bränslecellsforskning. VTT använder Vaisala HMT310F och HMP7 fuktighetsinstrument, samt GMP343 CO2-transmittrar i sin bränslecellsrelaterade forskning. 

”Vaisalas fuktighetssensorer används aktivt i vår forskning. Att känna till luftfuktigheten i reaktantgaserna är avgörande, både för låg- och högtemperaturbränsleceller”, säger Mikko Kotisaari, forskare inom bränsleceller vid VTT