Simpelt gitter øger effekten af brændselsceller med over 30 procent

TurbuGrid er navnet på et lille plastikgitter på ca. 16 x 16 cm, der kan øge effekten af en luftkølet brændselscellestak markant. AAU-forskeres forsøg viser en stigning i effektiviteten på mindst 33,5 procent, men det kan formentligt blive til endnu mere, hvis gitteret tilføjes helt nye brændselscellestakke. Årsagen er, at man med gitteret tilfører turbulens til den luft, der strømmer ind i kanalerne i stakken. Turbulensen har stor effekt på den varmeoverførsel, der sker i brændselscellerne, og det har stor betydning for, hvor stor strømtæthed, man kan opnå fra brændselscellerne.

- Vi vil gerne have brændselscellen til at operere ved ca. 50-60 grader, fordi reaktionen mellem ilt og hydrogen har de bedste betingelser ved den temperatur. Derfor har vi brug for en effektiv metode til at overføre den spildvarme, der opstår inde i brændselscellen, så cellen ikke bliver for varm, siger Torsten Berning, der er lektor på Institut for Energiteknik ved Aalborg Universitet.

Den luft, der trækkes gennem en brændselscellestak, strømmer laminart (det modsatte af turbulent). Men forskerne fra Aalborg Universitet har nu fundet ud af, at man ved at tilføre kunstig turbulens til luftstrømmen ved brug af det lille plastikgitter kan øge varmeoverførslen til luften og dermed sikre en øget effektivitet, fordi brændselscellen ikke bliver for varm.

At tilføre kunstig turbulens til luftstrømningen er en radikal ændring i tilgangen til at få en brændselscellestak til at yde mere. Det skyldes, at fokus på at opnå en højere effektivitet tidligere har kredset om at undgå trykfald og ikke på at effektivisere varmeoverførslen.

- Tidligere har forskere og industrien haft som mål, at skabe en luftstrømning, der var så laminar som overhovedet muligt. Men vores forskning viser, at det handler meget mere om at sikre en effektiv varmeoverførsel, og den kan man opnå ved at tilføre turbulens, siger Torsten Berning.

Jo mere strøm desto mere varme

Jo mere strøm, der trækkes ud af en brændselscellestak, jo varmere bliver stakken. Derfor er det vigtigt at opnå en bedre kontrol over temperaturen inde i cellerne. Med luft, der strømmer laminart, er varmeoverførslen temmelig ringe, og det sætter en begrænsning for, hvor meget strøm, der kan trækkes ud af brændselscellestakken.

- Hvis vi ikke er gode til at kontrollere varmeoverførslen, bliver stakken hurtigt for varm, og vi kan ikke trække så meget strøm ud, som der reelt er potentiale for. Men ved at tilføre turbulensen ser vi markante resultater i forhold til at sikre en effektiv varmeoverførsel til luften – og dermed også en markant stigning i brændselscellens effektiviteten, fortæller Torsten Berning.

Alt indeni en brændselscelle er så småt, er det svært at udregne og måle temperaturen præcist. Derfor har Torsten Berning og hans forskerkolleger benyttet computermodeller i kombination med fysiske eksperimenter. Og resultaterne fra både i modellerne og virkeligheden har været klare: En markant øget effektivitet, når gitteret tilføjes.

Øget levetid for gamle brændselsceller

De luftkølede brændselsceller bliver i dag brugt i blandt andet nødstrømsanlæg til IT og telecom-industrien og til mindre droner. Brændselscellerne holder typisk i 5-6 år afhængigt af, hvordan de er blevet driftet, men ved at tilføje gitteret til en brændselscellestak, vil det være muligt at forlænge levetiden, fordi temperaturen i cellerne er kontrolleret på en mere hensigtsmæssig måde. En luftkølet brændselscellestak koster mindst 1000 $/kW, så udover at bruge gitteret på nye stakke, kan det også være en god forretning at tilføje det til dem, der allerede er i drift.

Aalborg Universitet og Torsten Berning har søgt om patent på opfindelsen og søger nu industrielle partnere, der er interesseret i et fremtidigt samarbejde. Blandt andet bliver opfindelsen vist frem på Danish IP Fair den 29. maj, hvor de bedste opfindelser fra alle danske forskningsinstitutioner bliver udstillet i et samlet event. 

Projektet bag opfindelsen TurbuGrid er støttet af EUDP.