Brændselsceller har endnu ikke fået det store kommercielle gennembrud, men med en opfindelse fra ph.d.-studerende Morten Nymand er vejen dertil måske blevet kortere.

Han har formået at knække den kode, som konkurrerende forskere hidtil ikke har kunnet tyde – nemlig hvordan man fremstiller en konverter, som kan få den optimale effekt ud af brændselsceller og dermed spare på både brændslen og komponenter til konvertere.

Med sine 1,5 kW og 3 kW prototyper har han nået en virkningsgrad på op til 98 procent, mens konkurrenterne efter års forskning ikke har kunnet klemme virkningsgraden op på meget mere end 90 procent.

»Det tog mig halvandet år at få det til at lykkes, men så vakte det også stor opsigt. Mange virksomheder troede nok ikke, at det kunne gøres meget bedre end de omkring 90 procent, så da jeg kom med denne, blev de noget overraskede,« siger Morten Nymand.

Han er ansat på Syddansk Universitet og tilknyttet et treårigt forskningsprojekt på DTU, der løber til september i år.

Problemet, som Morten Nymand er godt på vej til at løse, er, at der opstår tab, når de høje strømme fra brændselscellen skal omsættes til energi til højspændingsnettet – dvs. når der skal veksles mellem brændselscellens lave spænding på 50 volt og nettes 230 volt.

Når man arbejder med store strømme i 50-400 A-klassen i konvertere til brændselsceller, så opstår der nødvendigvis tab, når strømmene skal konverteres.

Ikke alene opstår der store tab i switche og transformatorer, som man er nødt til at lægge parallelt for at håndtere de store strømme, men de er også i risiko for at overstresse hinanden, hvis de mange switche ikke formår at fordele strømmen imellem sig selv og de dublerede transformatorer.

Det har især været proximity-tabene i transformatorerne, Morten Nymand har været ude efter at minimere. Disse tab opstår, når tykkelsen af kobberlederne bliver større end indtrængningsdybden i kobberet, og der derved opstår høje tab i de nødvendige flerlagsviklinger.

»Normalt er proximity-tab ikke noget, vi elektronikingeniører stifter bekendtskab med i det daglige, men det får relevans, når det handler om netop konvertere til brændselsceller, hvor situationen er den, at der optræder meget kraftige højfrekvensstrømme,« siger Morten Nymand.

Han har derfor gravet langt og længe i teorierne for at finde frem til de udfordringer i designet, som han blev nødt til at løse for at komme tabene til livs. Et af de problemer, som Morten Nymand mener, har været overset i den hidtidige forskning, er, at disse højfrekvente strømme i konverteren stiller nogle helt særlige krav til designet af kredsløbene for at undgå tab fra sprednings-induktans og hvirvelstrømme.

Under normale omstændigheder vil der skulle mange og store switche og transformatorer til for at håndtere så store strømme, og det kan være nødvendigt at sænke switch-hastigheden for ikke at overstresse de parallelkoblede transistorer. Alle disse faktorer i designet har betydet ekstra penge til komponenter foruden de tab, det medfører ikke at styre strømmene rigtigt.

Nogle af tabsproblemerne har Morten Nymand løst ved at flette – eller interleave – de primære og sekundære viklinger ekstra meget. Derefter har han kun dubleret komponenter, hvor det var strengt nødvendigt, dvs. switche og transformatorer, hvorimod dioderne i output-enden ikke behøvede en dublering. Dermed er plads og penge sparet.

»Det har haft den sideeffekt, at et ellers generelt frygtet problem med utilstrækkelig kobling mellem viklingerne fuldstændig elimineres, fordi man kan opnå en koblingsgrad på op mod 0,9999, hvilket er op til 200 gange bedre end i normale transformatorer,« påpeger Morten Nymand.

Fordi koblingen er så tæt, har det været muligt at fjerne et beskyttelseskredsløb, som man ellers normalt bruger for at fange den energi, som bliver brændt af i switch-transistorerne. Og ved at fjerne dette kredsløb har han kunnet spare en ellers nødvendig overdimensionering af primær-switchene og i det hele taget kunnet spare på antallet af dyre switche.

For at undgå at switchene fordelte energien ulige på transformatorerne, brugte han en lille strømtransformator, som kunne splitte strømmen mellem switchene, så de i princippet arbejdede uafhængigt af hinanden. På den måde mindskede han de tab, der kommer ved, at man ellers er nødt til at reducere switch-hastigheden for ikke at stresse og brænde switchene af. Desuden blev behovet for køling reduceret med en faktor fire, og energien kunne i stedet lægges oven i den eksisterende nytteeffekt, som til sidst nåede op på 98 procent.

»Det handler om effektivt at parallelkoble uden at skulle dublere det hele, og her kan man udnytte, at man har flere transformatorer. Jeg havde teorien i hus efter en masse læsning og analyser, men jeg manglede en konverter at bevise det på,« siger Morten Nymand, som gik i gang med at bygge prototypen på den 3 kW konverter, som danner baggrund for hans videre arbejde.

Det var simpelt hen en nødvendighed, for da hans teorier endnu kun var på papiret, blev de pure afvist af de internationale videnskabelige tidsskrifter.

»Det føltes lidt, som skulle jeg bevise, at Jorden var rund, for det var mange års forskning, der blev vendt på hovedet nu,« fortæller Morten Nymand, som netop har været i USA for at vise sin opfindelse frem.

Ligeledes har han nu fået flere invitationer til at publicere sit materiale i de nu overbeviste videnskabelige tidsskrifter.

Udviklingsingeniør i IRD Fuel Cells, Mads Lundstrøm, er en af partnerne i projektet, og han fortæller, at den mest effektive konverter på markedet, som han har fundet i Tyskland, kan klemme sig op på en virkningsgrad på 92 procent på en god dag.

»Når vi engang skal sælge vores brændselsceller, betyder det meget, at de er effektive, selv om der selvfølgelig stadigvæk kun er tale om en prototype. Forskellen på 92 og 98 procent betyder, at der bliver lukket 60-70 watt mindre ud i bryggerset, eller hvor man kunne tænkes at bruge brændselscellerne,« fortæller han.

Ifølge hans beregninger kan en almindelig husstand spare op mod 1.000 kr. om året på brændsel, hvilket måske kan give ekstra krudt til markedsføringen af den vedvarende energi.

Også teknologichef i Danfoss Solar Inverters Uffe Borup ser fordelene ude i de private hjem. Danfoss tager selv del i et industriprojekt, hvor otte partnere skal opstille 100 mikrokraft-varmesystemer med blandt andet brændselsceller til levering af el og varme i private husstande over de kommende tre år.

»Man kan sige, at Morten Nymand har fundet de vises sten i arbejdet med konverteren, som er den sidste og afgørende prop i udnyttelsen af brændselscellerne. Vi kommer til at bruge meget af hans arbejde i vores projekt,« siger Uffe Borup og fortsætter:

»Ideelt set skulle man få brændselscellen til at køre med en højere spænding, men i de små enheder til husstande vil spændingen altid ligge så lavt, så der er et kæmpe marked i Europa, hvor der bliver udskiftet to mio. naturgassystemer om året. Her vil vi selvfølgelig gerne være konkurrencedygtige.«

Morten Nymands næste skridt er en konverter, der kan klare op til 10 kW, og han forventer den færdig til september. Her skal antallet af switche og transformatorer yderligere fordobles, men ellers genbruger han de samme koblingsprincipper som ved 1,5 kW og 3 kW-modellerne, dvs. dublerer og separerer switchene, mens dioderne kan være fælles.

En sådan konverter kan for eksempel gå hen og blive relevant i forhold til planerne om at lade beredskabsnettet SINE's back up-systemer køre på brændselsceller – eller i forhold til andre projekter, der kræver større mængder energi. Her vil det være nødvendigt at lægge endnu flere transformatorer parallelt for at nå den massive effekt, og det kan blive dyrt, hvis der bare bliver doblet op uden det rigtige design.

»I første omgang gør jeg det for yderligere at bevise min teori, men konverterne vil også være oplagte til fremtidige el- og brændselscellebiler. Man kan i hvert fald sige, at jeg har lagt solid afstand til konkurrenterne nu,« siger han.

Projektets yderligere partnere er vejleder Michael A.E. Andersen fra DTU og erhvervspartnerne Grundfos, Aalborg Universitet og kk-electronic. Projektet er endvidere støttet af Energistyrelsen.

Fakta: Brændselsceller
* En brændselscelle fungerer i princippet på samme måde som et batteri – dog bortset fra, at brændselscellen ikke skal oplades. Den bliver ved med at producere strøm, varme og vand, så længe der tilføres brændsel.

* Brint tilføres anoden, og ilt tilføres katoden. Hver brintatom spaltes i en proton H+ og en elektron e-, som vælger hver deres vej i kredsløbet.

* Protonen tager den nærmeste vej igennem membranen, men det kan elektronen ikke. Den vælger derfor det ledende metal i kredsløbet fra anoden til katoden. Ved katoden mødes protonen og elektronen med iltatomer og herved dannes vand.

* De kemiske processer ved anoden, katoden og membranen foregår ved høje temperaturer, og derfor producerer brændselscellen også varme.

Kilde: El- og VVS-branchens Uddannelsessekretariat.