Jan-Erik Svensson. Energi och material Institutionen för Kemi och Kemiteknik Chalmers tekniska högskola

Transkript

1 FFI projekt Förbättringar av livslängden av fastoxidbränsleceller- APU för tunga fordons applikationer (Improving Lifetime Performance of SOFC for Truck APUs) Jan-Erik Svensson Energi och material Institutionen för Kemi och Kemiteknik Chalmers tekniska högskola

2 Rullande bostäder som behöver elektricitet Varför går lastbilar på tomgångskörning? El behövs under rasten för Kylning Värme Kylskåp Ljus Radio, PC, TV Etc.

3 Effekten av tomgångskörning är avsevärd Emissioner från tomgångskörning av tunga lastbilar NOx: ton per år PM: ton per år CO 2 : 11 miljoner ton per år Varför är lastbilsmarknaden intresserade av APU:er? 2.3 miljoner tunga diesel lastbilar i USA, varav 600,000 med sovavdelning Chauffören brukar tomgångsköra under pausen En typisk tung lastbil tomgångskör 1800 h/år Lagkrav på utsläpp och buller Bränslebesparing Ger tillförlitlig och tillgänglig el och värme Förlänger huvudmotorns livslängd

4 Fördelar med SOFC-APU SOFC-APU kan drivas med diesel Det krävs ingen separat tank Det krävs ingen ny infrastruktur En APU är tyst Mer effektiv än diesel generator (Verkningsgrad 35% mot 15%) Det finns flera typer av bränsleceller, de två vanligaste är: PEM (Polymer Electrolyte Membrane Fuel cells) Arbetar vid 80 C, hög effektivitet, snabb start-up, stor känslighet för bränsleföroreningar SOFC (Solid oxide fuel cells) Arbetar vid C, hög effektivitet, flexibel bränsletyp, hög-temperatur korrosion

5 Stationära SOFC 5 x 100kW Bloomboxes installerades i Februrari 2010 som drivs med 100% biogas. Är investeringen ekonomiskt försvarbar??? 500kW SOFC installerat på Ebay Campus San Jose, CA Kan forskningen hjälpa till att göra tekniken kommersiell på en internationell marknad?

6 Fast Oxid Bränsle Cell SolidOxideFuelCell e - e - Fuel Inlet e - O 2 (Air) Exhaust Anode Electrolyte Cathode Temperatur: C

7 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) O 2 (Air) Anode Electrolyte Cathode Anode Electrolyte Cathode Anode Electrolyte Cathode

8 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) O 2 (Air) Anode Electrolyte Cathode Anode Electrolyte Cathode Anode Electrolyte Cathode Krav för bipolära plattor: Termiskt utvigningskoefficient som är lika med andra SOFC komponenter God elektrisk ledningsförmåga Billiga att tillverka (bipoläraplattan kan motsvara upp till 40% av stack kostnaden 1 ) Ferritiska rostfria stål 1) Hall, T. D., McCrabb, H. A., Wu, J., Zhang, H., Liu, X., & Taylor, E. J. (2011). in S. C. Singhal & K. Eguchi (Eds.), Solid Oxide Fuel Cells 12 (Vol. 35, pp ). Pennington: Electrochemical Society Inc.

9 Cr-förångning Utmaningar med ferritiska stål - Förgifta katoden - Förvärra korrosionsproblematiken Korrosion på katodsidan Korrosion på anodsidan Förbättra ledningsförmågan av oxiden Interdiffusion med andra cellkomponenter Påverkan av ström och dual atmosphere Föroreningar som påverka korrosionen (t.ex. salt) O 2 +H 2 O(g) FeCr CrO 2 (OH) 2 (g) FeCr Cr 2 O 3

10 Mål Förbättringar av livslängden av fastoxidbränsleceller-apu på ett kostnadseffektivt sätt Metalliska bipolära plattor är en nyckelkomponent! (upp till 40% av stackkostnaden) Ideen bakom projektet är att samarbeta i ett starkt konsortium för att kunna lösa dessa problem på ett kostnadseffektivt sätt genom användning av FeCr stål skyddat av en flerskiktad nanobeläggning.

11 Projektpartners

12 Sandvik Materials Technology 8200 anställda, fokus på special stål Special utvecklat bränslecells stål Sanergy HT Förbelagt stål konceptet Produktionslina 800 mm breda stålband Hög kapacitet Multilagrade skikt i en körning Kvalitetsgaranti - Online tjockleks kontroll Traditionellt sätt: SMT sätt:

13 Projektpartners

14 Courtesy of Elcogen

15 Courtesy of Elcogen

16 Projektpartners

17 Fuel Cell Group Jan Erik Svensson Jan Froitzheim Mohammad Sattari Christine Geers (30%) Gert Göransson (50%) Per Malmberg (20%) Patrik Alnegren Rakshith Sachitanand Hannes Falk Windisch Jan Grolig Maria Nikumaa Claudia Göbel

18 Collaboration Int. Academic Collaboration Int. Industry Collaboration SOFC group Financing Bodies: HTC

19 Lab faciliteter Setup för exponeringar i luft, H 2, H 2 O, CO, CO 2, CH 4, H 2 S, HCl > 50 högtemperatur ugnar Avancerad material analys: SEM, TEM, XRD mm

20 Världsunik metod att mäta krom förångning

21 Utmaningar med ferritiska stål Cr-förångning - Förgifta katoden - Förvärra korrosionsproblematiken Korrosion på katodsidan Korrosion på anodsidan Förbättra ledningsförmågan av oxiden Interdiffusion med andra cellkomponenter Påverkan av ström och dual atmosphere Föroreningar som påverka korrosionen (t.ex. salt) Ytegenskaper som är nyckeln Kan styras genom beläggningar

22 Mål Idé: Förbelagt stål för storskalig produktion Metalliska tunnfilmer Målet med beläggningen: - Minimera Cr-förångningen - Förbättra korrosionsmotståndet - Förbättra ledningsförmågan

23 Nanoskikt mot krom förångning -jämfört med State of the art keramisk skikt 30-40µm Co 640nm FeCrMn FeCrMn stål stål Luft, 168h, 850 C

24 Cr Evaporation [kg/m2] 3,00E-04 High Temperature Corrosion Centre Nanoskikt mot krom förångning -jämfört med State of the art 2,50E-04 obelagt 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 Co belagt 0,00E Time [h]

25 Cr Evaporation [kg/m2] 3,00E-04 High Temperature Corrosion Centre Nanoskikt mot krom förångning -jämfört med State of the art 2,50E-04 obelagt 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 keramiskt beläggning Co belagt 0,00E Time [h]

26 Krom förångning [kg/m2] Nanoskikt mot krom förångning -Långtids prestanda 2,0E-03 obelagt 1,5E-03 1,0E-03 Co belagt 5,0E-04 0,0E Tid [h] J. Froitzheim, et al. J. of Power Sources, 2015

27 Nanoskikt för bättra korrosionsmotstand FeCrMn Co 640nm FeCrMn Co (640nm) Ce (10nm) (Co,Mn) 3 O 4 (Co,Mn) 3 O 4 ~8µm Cr 2 O 3 Oxidskikt ~3µm Cr 2 O 3 1µm stål 1µm Luft, 3000h, 850 C

28 Sammanfattning Vi har tagit fram nya nano beläggningar med överlägsna egenskaper: i. Kromförångning ii. Korrosionsmotstånd Förbelagda stålkonceptet minskar kostnader Stack tester (Elcogen) med våra nya nano beläggningar har startat, preliminära resultat är mycket lovande.

29 Nyckeln till framgång Projektpartners Från materialtillverkare till slutanvändare Från Ax till Limpa