Bränsleceller
Bränslecellsteknik spänner över många olika discipliner inklusive materialvetenskap, kemi, elektrokemi, ytkemi, maskinteknik och katalys. Bränslecellen är ingen ny uppfinning, principen har varit känd ända sedan 1838. Frågan är inte om, utan när, bränsleceller kommer börja spela en viktig roll i ett framtid hållbart (koldioxidfritt) och energieffektivt energisystem. IEA (International Energy Agency) förutspår att bränsleceller kommer vara en betydande del av marknaden för elproduktion såväl som inom fordonsdrift med betydande marknadsandelar på längre sikt.
Om bränsleceller/system ska bli kommersiella behöver tillverkningskostnaden (jämfört med andra teknologier) minska och livslängden öka. Det är ingen överdrift att säga att nästan all fysik och kemi som rör bränsleceller spänner över många skalor. Partiklarna som utgör det aktiva materialet i en SOFC (bränslecell med fast oxid, Solid Oxide Fuel Cell) är mindre än en mikrometer stora, trefasövergångens struktur och design är på mikrometernivå medan hela cellen och cellstacken designas på makroskopisk skala. Egenskaperna och morfologin på dessa skalor är viktiga för cellens prestanda. Det betyder att de mikroskopiska egenskaperna är avgörande för funktionen hos ett makroskopiskt system. De många längdskalorna medför i sin tur lika många tidsskalor där molekylära vibrationer sker på tiotal femtosekunder medan uppvärmningen av stacken tar flera timmar. Den interna omformningen och elektrokemiska reaktionshastigheter påverkas lokalt av det mikroskopiska materialets struktur, katalytiska aktivitet och temperatur samt ämneskoncentrationerna. Fördelningen av elektroner och joner beror av den lokala temperaturen, ämneskoncentrationerna och det porösa materialets struktur. Olika polariseringar beror av temperatur, koncentrationer, det porösa materialets struktur/design och den katalytiska aktiviteten. De nämnda sambanden, tillsammans med ytterligare samband, mellan fysikaliska parametrar och olika fenomen i en bränslecell visar hur viktiga kopplingarna är, och detta är anledningen varför modellering och simulering med många skalor och multifysik är nödvändigt för att förstå fenomenen i en bränslecell och kunna utveckla nya förbättringar. Modellering med hjälp av beräkningsfluiddynamik gör det möjligt att minska antalet experimentella tester som behöver göras under utvecklingen av celler, och bara ett begränsat antal tester behöver göras för att validera noggrannheten hos en sådan modell.
Vår forskning om bränsleceller handlar om att analysera värme- och massöverföring och andra transportfenomen i SOFC:er och polymera elektrolytceller. Numeriska beräkningar har gjorts för att förutsäga bland annat olika transportprocesser i strömningen genom cellens kanaler, elektrokemiska reaktioner i bränsleceller samt deras effekter på energi- och massbalans. Vår nuvarande forskning fokuserar på att förstå vilken effekt kemiska reaktioner och nano/mikrostrukturer i porösa material har på olika transportprocesser i olika komponenter i bränslecellssystem.
Martin Andersson representerar Sverige i två samarbetsprojekt om avancerade bränsleceller genom IEA.
