Förbättringar av livslängden av fastoxidbränsleceller-apu för tunga fordons applikationer (Improving Lifetime Performance of SOFC for Truck APUs)

Transkript

1 Förbättringar av livslängden av fastoxidbränsleceller-apu för tunga fordons applikationer (Improving Lifetime Performance of SOFC for Truck APUs) Period: till Huvudmotagare: Chalmers Tekniska Högskola Projektpartners: Sandvik Materials Technology, Elcogen och Volvo AB Programm: FFI Energi & Miljö Stödsumma: 6.3 Mkr (+ 600 kkr för teknikbevakning)

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

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

4 Effekten av tomgångskörning är avsevärd Emissioner från tomgångskörning av tunga lastbilar i USA NOx: ton per år PM: 400 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 Tomgångskörning utav en tung lastbil förbrukar ca 3 liter per timme. Lagkrav på utsläpp och buller Bränslebesparing Ger tillförlitlig och tillgänglig el och värme Förlänger huvudmotorns livslängd *

5 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 (71 % minskning utav CO 2 utsläpp enligt DESTA Projektet (SOFC-APU med 30% verkningsgrad). 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 *

6 Andra mobila applikationer Range extender En elbil med ett 5 kw SOFC system och en 30 liters bio-etanoltank. Sträcka: 600 km (jämfört med 170 km utan SOFC range extender)

7 SOFC/SOEC Bränslecell (CO 2 ) H 2 O O 2 Ström H 2 (CH4, CO, annat)

8 Fast Oxid Bränsle Cell (SolidOxideFuelCell) e - e - Bränsle e - O 2 (Luft) Anod Elektrolyt katod Temperatur: C Fördelar med SOFC Hög elektrisk verkningsgrad (>60 % el) Bränsleflexibilitet (H 2, etanol, naturgas, biogas.. Diesel) Inget behov av dyra ädelmetaller som Pt för katalys

9 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) O 2 (Air) Anod Elektrolyt Katod Anod Elektrolyt Katod Anod Elektrolyt Katod

10 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) O 2 (Air) Anod Elektrolyt Katod Anod Elektrolyt Katod Anod Elektrolyt Katod

11 Bipolära plattor Krav för bipolära plattor: Termiskt utvigningskoefficient som är lika med andra SOFC komponenter God elektrisk ledningsförmåga Billiga att tillverka Ferritiska rostfria stål Co-oxide Cr 2 O 3 De bipolära plattorna står för % utav stackkostanden Steel idag! *Source: Battelle study prepared for US DOE (2014)

12 Utmaningar CrO 2 (OH) 2 (g) Stål (FeCr) O 2 + H 2 O oxidation C Cr 2 O 3 Stål (FeCr) Oxidtillväxt ökat elektriskt motstånd Kromförångning: Cr 2 O 3 (s) + O 2 (g) + H 2 O(g) CrO 2 (OH) 2 (g) Katodförgiftning

13 Projektpartners

14 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:

15 Projektpartners

16 Courtesy of Elcogen

17 Courtesy of Elcogen

18 Projektpartners

19 Volvo AB 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 71 % minskning utav CO 2 utsläpp enligt DESTA Projektet (SOFC-APU med 30% verkningsgrad). *

20 Mål Förlänga livstiden samt prestandan av en SOFC, på ett kostnadseffektivt vis Förbättra korrosionsmotståndet Sänka kromförångningen (förhindra katodförgiftning) Sänka kostnaderna!

21 Sänka kromförångningen Vi använder oss av metalliska nano-beläggningar: CrO 2 (OH) 2 (g) Co Steel O 2 + H 2 O oxidation C Co 3 O 4 Cr 2 O 3 Steel

22 Kromförångning (kg/m 2 ) Sänka kromförångningen 1,E-03 Obelagt 9,E-04 8,E-04 7,E-04 6,E-04 5,E-04 4,E-04 3,E-04 2,E-04 1,E-04 0,E Tid (h) Co-belagt (600nm) *H. Falk-Windisch et al. / Journal of Power Sources 297 (2015)

23 Förbättra korrosionsmotståndet Co 3 O 4 Co Stål O 2 + H 2 O oxidation C Cr 2 O 3 Stål 10 nm Ce Co Stål O 2 + H 2 O oxidation C Co 3 O 4 Cr 2 O 3 Stål

24 (Co,Mn) 3 O 4 (Co,Mn) 3 O 4 ~4 µm Cr 2 O 3 ~10 µm Cr 2 O 3 Co-belagt Steel Ce/Co-belagt Cerium reducerar tillväxthastigheten utav Cr 2 O 3 -skiktet 850 C, Luft (3% H 2 O), 3000 h

25 Elektriskt motstånd Co-belagt Ce/Co-belagt Lågt elektriskt motstånd även efter 3000 h vid 850 C med Ce/Co-beläggningen Sanergy HT, 850 C, Luft-3% H 2 O, 6 sl min -1

26 Mål Förlänga livstiden samt prestandan av en SOFC, på ett kostnadseffektivt vis Förbättra korrosionsmotståndet Sänka kromförångningen (förhindra katodförgiftning) Sänka kostnaderna!

27 Kostnad beläggning Standard rostfria stål Kostnad stål Specialstål -> små volymer -> specialtillverkning Sandvik Ce/Co-beläggning

28 Stack test (Elcogen) Sandvik thin-film (Ce/Co) beläggning (5 celler) vid 660 C Elcogen state-of-the-art beläggning

29 Standard rostfria stål Kostnad beläggning Nytt FFI-projekt sökt: Nya material för bättre och billigare bipolära plattor Kostnad stål Specialstål -> små volymer -> specialtillverkning => belägga billiga stål med kostnadseffektiva beläggningar Sandvik Ce/Co-beläggning

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