Mistras bränslecellsprogram

Transkript

1 Mistras bränslecellsprogram SYNTESRAPPORT Slutrapport för etapp 2

2

3 Mistras bränslecellsprogram SYNTESRAPPORT Slutrapport för etapp 2 Programvärd: KTH

4 SUMMARY: Mistras fuel cell programme has now completed its second phase. The programme has been an important promoter for the development of both scientific and industrial competence. In its first phase, two of the three sub-programs were about batteries and one about PEM fuel cells. The first phase was much characterised by the creation of a network of scientists and the development of scientific competence. During the first phase a new company manufacturing fuel cells were started and the only company in Sweden developing new batteries closed down. This led to a decision to concentrate all research in the second phase to fuel cells. In this second phase the scientific competence has reached internationally competitive levels. Two new companies have been formed for production of fuel cells and components. Other companies in the program have strengthend their positions in an emerging fuel cell market. Scientific achievements made, include new membranes, catalysts and basic knowledge on fuel cell processes. Redaktion: Magnus Karlström och Bengt Steen Layout: Drops, Liane Thuvander Omslagsbild: Shanghai Sightseeing tunnel 2006, foto: Martin Behnisch Tryck: Majornas CopyPrint AB, 2007

5 Förord Mistras bränslecellsprogram började som ett brett FoUprogram för att ta vara på den elektrokemiska kompetens som fanns i landet och att utveckla den i miljötekniskt riktning. I en första fas ( ) studerades såväl bränsleceller som batterier, men i och med att den svenska batteriindustrin tvingades upphöra med utveckling av nyare miljöanpassade batterier fanns inte längre någon avnämare i landet för batteriforskningen och verksamheten i den nästföljande fas 2 koncentrerades på bränsleceller. Fas 2 genomfördes åren Rapporten syftar dels till att presentera den forskning som bedrivits inom programmet, dels till att sätta in denna i ett större sammanhang, d v s beskriva bränsleceller allmänt och hur utvecklingen ser ut i världen och vad man kan tänka sig inför framtiden. Avsnitten som beskriver forskningen i projekten har en mer vetenskaplig inriktning än den övriga texten men det är vår förhoppning att den för icke-specialisten ändå skall ge en inblick i de problemställningar, som bearbetats inom programmet, de insatser, som gjort och de resultat, som uppnåtts. Det finns ett mervärde i att driva flera projekt tillsammans i programform. Det rör sig bl a om en stärkt forskningsmiljö, ökad svensk konkurrenskraft, förbättrad FoU-strategi och erfarenheter från programledning. Sverige är en lite del av världen och världens bränslecellsforskning. Kanske bidrar vi med någon eller några promille av det som görs. Därför är det viktigt att förhålla sig till vad som sker i andra länder. I avsnittet»bränsleceller i världen och Sverige«ges en överblick av teknikutvecklingen i stort. Vi hoppas att denna rapport från MISTRAs bränslecellsprogram skall erbjuda en någorlunda lätt tillgänglig information om vad som skett i programmet, vilka möjligheter bränslecellstekniken har att lösa dagens energi- och miljöproblem och icke minst understryka vikten av att vårda och utveckla den svenska kunskapsbasen för bränslecellstekniken. Göran Johansson Programchef Göteborg Bengt Steen Vice programchef Göteborg

6 Innehåll Förord 1 Varför Mistras bränslecellsprogram? 4 Bränsleceller 6 Programstruktur 8 Forskningsprojekt Utveckling av membran baserade på aromatiska polymerer 12 Framställning och karakterisering av katalytiska nanopartiklar 16 Nanofabrikation, karakterisering och modellering av elektro-katalysatorer 20 Elektrokemisk karakterisering av katalysatorer och elektroder 24 Utveckling och karakterisering av membranelektrodkomponent med användning av nya katalysatorer och högtemperaturmembran 30 Molekylär karakterisering av protonledande membran 34 Vätelagring i metall-organiska föreningar 38 Vätelagring i metallhydrider 40 Teknikbedömning av bränslecellssystem och introduktionsnischer 44 2

7 Industriprojekt Volvo 50 Cellkraft 50 Svenska Tanso 50 Nolato 51 Morphic 54 Outokompu 56 Voxna Graphite 57 Programinformation Programresultat 60 Bränsleceller i världen och Sverige 62 Framtiden 64 Programfakta 66 Forskargrupper och medarbetare 68 Publikationer och information 72 3

8 Varför Mistras bränslecellsprogram? Bakgrund Världen står inför en global energiutmaning. De flesta prognoser tyder på en fortsatt ökning av efterfrågan på energi i världen. För att möta efterfrågan måste energiförsörjningen tryggas samtidigt som utsläppen av växthusgaser radikalt måste minskas för att»stabilisera«växthuseffekten. Många tvivlar på möjligheten att öka produktionstakten på råolja för att möta den framtida efterfrågan. Det område som huvudsakligen skulle kunna öka sin produktion är det politiskt instabila Mellanöstern, något som ökar möjligheten för störningar och kan ge kraftiga fluktuationer i oljepriset. Transportsektorn är nästan helt beroende av bränslen från råolja och därför är behovet av alternativa bränslen och energiomvandlare stort i den sektorn. En energiomvandlare med stor potential att minska oljeberoendet och utsläppen av växthusgaser är bränslecellen. Kostnadseffektiva polymerbränsleceller kan få genomgripande betydelse för utformningen av framtidens energisystem. Utvecklingsbehoven för bränsleceller är dock ännu betydande vilket begränsar deras roll i världens nuvarande transport och energisystem. De tekniska och kommersiella barriärerna för att introducera bränsleceller i stor skala anses dock inte oöverstigliga. Det bevisas av de stora satsningar som görs på forskning, utveckling och demonstration runt om i världen från både privata och offentliga aktörer. Idag kan bränslecellstekniken sägas vara i ett förkommersiellt skede i de flesta av tillämpningar. Teknikhistorien lär oss att det är betydligt vanligare att det tar lång tid än att det går fort. Mycket resurser och mycket arbete krävs för att en ny energiteknik ska börja användas i stor skala. Forskningen har fortfarande en viktig roll att spela för utvecklingen av bränsleceller. Det finns utmaningar inom både grundforskningen och den tillämpade forskningen för att förbättra bränsleceller och tillhörande system. I Sverige finns det en stark forskningstradition inom elektrokemi. Svenska aktörer var tidigt inne på att utveckla bränsleceller. Mistras bränslecellsprogram har byggt vidare på den kompetens som finns i Sverige och spelar därför en viktig roll för forskningen i Sverige. Mål Det övergripande målet med programmet är att svensk forskning, med en stark tradition inom elektrokemi, ska omsättas i miljöanpassade bränsleceller för fordon, bärbara apparater och utrustning för stationär energiproduktion. Programmet har varit uppdelat i strategiska mål och operativa mål. De strategiska målen för programmet har varit att medverka till att: utveckla en plan för att introducera bränsleceller i Sverige; öka och fördjupa kunskapen om bränsleceller; positionera FoU i Sverige till vissa utvalda segment; vidga perspektivet om vilken roll bränsleceller kan ha i samhället; skapa industriella möjligheter. De operativa målen med programmet har varit: att undersöka och utveckla material och komponenter för polymerelektrolytbränsleceller med målet att: - reducera mängden platina; - öka arbetstemperaturen till 120 ; - demonstrera en högpresterande bränslecell med en arbetstemperatur över 100 ; - föreslå en stackdesign. att analysera vilken potential det finns för kostnadsreduktioner av bränslecellsstackar. 4

9 att skapa industriella möjligheter med både miljömässiga och kommersiella vinster genom att: - identifiera marknadsnischer för bränsleceller tillsammans med andra forskningsprogram som»gröna«bilen, Energisystem i fordon och Stationära Bränslecellsprogrammet; - utvärdera vätgaslagring; - identifiera möjligheter för industriell utveckling av komponenter. att utöka kunskapsbasen genom: - vetenskapliga publikationer; - utbildning av tekniska doktorer inom området; - utbildningsmaterial. Vilka ska ha nytta av resultaten Programmet riktar sig bl a till: fordonstillverkare företag verksamma inom energiomvandling elektronikindustrin företag inom handel och distribution samt centrala, regionala och kommunala myndigheter med ansvar för energifrågor och infrastrukturfrågor. Organisation Programmet har omfattat tre delprogram som benämnts Material och Komponenter, Bränslecellstack och Teknikutvärdering. Totalt bestod programmet av 9 forskningprojekt och 8 företag. Företagen hade en roll dels som avnämare till resultaten, dels som leverantörer av material och komponenter. Verksamheten har varit fördelad på fyra universitet och högskolor samt sju företag. De universitet och högskolor som medverkat är Kungliga tekniska hög- skolan, Lunds Universitet, Chalmers tekniska högskola samt Stockholms Universitet. Företagen har varit Outokumpu Steel i Avesta, Voxma Graphite, Svenska Tanso, Nolato, Morphic, Cellkraft och Volvo Technology. Från idé till fas 3 Redan 1996 undersöktes möjligheten att starta ett nationellt program kring elektrokemiska kraftkällor. Förarbetet gjorde att ett MISTRA program om både batterier och bränsleceller startade I första fasen var fem universitet och högskolor, tre stora förtag samt flera små och medelstora företag involverade startade den andra fasen av programmet. Den andra fasen innehåller en 100% satsning på bränsleceller med polymerbaserad elektrolyt och har som målsättning att uppnå en arbetstemperatur över 100 C. Under 2007 startar den tredje fasen som har fokus på industrialiseringen av den kunskap som tagits fram av bränslecellsprogrammet i de tidigare faserna. LÄSTIPS European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (HFP) Strategic Research Agenda. Hemsida: European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (HFP) Deployment Strategy. Hemsida: Grübler, Arnulf Technology and global change (inb.) Cambridge: Cambridge University Press, UK. Jönsson, Hanna Vätgasens historia i Sverige: Aktörer och aktiviteter inom vätgas- och bränslecellsområdet mellan 1960 och Göteborg: Chalmers tekniska högskola. ESA rapport 2006:1, Miljösystemanalys, Chalmers, Göteborg. 5

10 Varför bränsleceller? Bränsleceller Nu och i framtiden behövs energieffektiva energiomvandlare med låga utsläpp av luftföroreningar. Bränslecellen är en sådan energiomvandlare med stor potential att få en bred användning eftersom den kan användas till många olika tillämpningar som till exempel: Stationära tillämpningar. Där kan bränsleceller användas till back-up kraft, distribuerad kraft, småskalig kraftvärmeproduktion och kraft till avlägsna platser. Portabla tillämpningar. Bränsleceller kan där användas till nästan alla sorters tillämpningar som idag använder batterier. Det innebär att allt från mobiltelefoner till små portabla kraftaggregat. Transport tillämpningar. Bränsleceller kan användas som primär kraftkälla i bilar, bussar, båtar och motorcyklar. De kan också användas som hjälpkraftaggregat till exempel i lastbilar eller båtar. Bränslecellen har få rörliga delar, är tyst och är skalbar d v s den förlorar inte mycket i energieffektivtet om den är liten i förhållande till om den är stor. Bränslecellsystem kan vara energieffektiva. En bil med bränsleceller som använder vätgas som bränsle kan vara ca 2-3 ggr energieffektivare än en modern bil med förbränningsmotor. Hur fungerar en bränslecell? Bränslecellen kan direkt omvandla en del av den kemiska energi i ett bränsle och ett oxidationsmedel till elektrisk energi och värme. Oxidationsmedlet är oftast syret i luften och bränslet utgörs av t ex vätgas, metanol, naturgas eller etanol. Om vätgas används som bränsle blir den enda biprodukten vatten. Alla typer av bränsleceller består av en elektrolyt med två elektroder på varsin sida. Elektroderna kallas anod och katod. Utanför elektroderna sitter bipolära plattor som fungerar som distributörer av gaserna samt som ledare. Den sorts bränslecell som de flesta anser vara mest lämpad för framdrift av personbilar kallas Polymer Elektrolyt Membran (PEM) bränslecell. Den typen av bränslecell har Mistras bränslecellsprogram fokuserat på. I en PEM bränslecell så flödar vätgasen fram genom gaskanaler i de bipolära plattorna. När vätgasen når anoden så orsakar ett katalytiskt material att vätgasmolekylen seperaras till en proton och en elektron. Om elektronerna från anodsidan kopplas ihop med hjälp av en extern koppling till katodsidan så börjar elektroner röra sig till andra sidan och protonerna rör sig genom membranet eftersom elektrolyten i en PEM bränsleceller består av ett material som endast släpper igenom protoner. Flödet av elektroner är elektricitet som kan användas för att utföra arbete som t ex att driva en motor. På katodsidan flödar luft, som innehåller syrgas. När elektroner och protoner kommer fram till katoden så reagerar de med syret och vatten bildas. Reaktionen är exoterm. Det innebär att värme bildas som kan användas utanför bränslecellen. En cell har en spänning på mindre än 1 volt. Det räcker inte till mycket. Därför seriekopplas oftast flera celler ihop till en så kallad bränslecellsstack. Oftast menas med en bränslecell en hel bränslecellsstack och inte en enstaka bränslecell. Beroende på applikation så kopplas olika många celler ihop. Effektbehovet kan variera från någon W upp till MW. En dator behöver ca W, en bil ca kw och en stationär stor anläggning upp till MW. 6

11 Så här är en PEM-bränslecell uppbyggd Membran. Är gjort av en protonledande polymer som kan transportera protoner men är ogenomträngligt för vätgas och elektroner Bipolär platta. Leder den elektriska strömmen vidare till nästa cell. Innehåller kanaler för tillförsel av gas och borttransport av vatten och värme. Den kallas bipolär därför att den ligger mellan två membran och blir negativ pol för den ena och positiv för den andra. H 2 O O 2 2e - 2e - H + H 2 Elektroder. Är porösa, innehåller katalysatorer (Platinametaller) och elektriskt ledande. Vid den ena elektroden, anoden reagerar vägas och avger elektroner. Vid den andra, katoden tas elektroner upp när protoner reagerar med syrgas och bildar vatten. Porösa stödplattor. Består av tefloniserat poröst kol. Stöttar upp det tunna membranet mekaniskt. Fördelar ström, gas och värme. Dess vattenavisande egenskaper är viktiga för hantering av vatten som kondenserar i cellutrymmet. Kylmedium Kanaler för tillförsel av luft/syrgas (O 2 ) och borttransport av vatten (H 2 O) Kanaler för tillförsel av vätgas (H 2 ) Figur 1 Så här är en PEM-bränslecell uppbyggd. LÄSTIPS Larminie, James och Dicks, Andrew Fuel Cell Systems Explained 2nd edition. John Wiley & Son, UK. 7

12 Tre delprogram Programstruktur Programmet har varit uppdelat i tre delprogram, som vart och ett bestod av ett antal projekt. Strukturen möjliggör en parallell utveckling av komponenter, stackintegrering och testning av den prototyp som utvecklades i fas 1. Samtidigt utvärderades olika kritiska komponenteter och material med olika metoder som t ex livscykelanalys. Material och komponenter Huvudmålet med detta delprogram är att utveckla material och komponenter för polymerelektrolyt-bränsleceller med en arbetstemperatur över 100 C och en effektiv katalys för att minimera användningen av platina. Delprogrammet innehåller allt från syntes och karakteriserng av nya membran material, till nya katalysmaterial samt modellering av gas-vätskeflöde, värme och masstransport både på cell och stacknivå. I delprogrammet finns också forskning om utveckling och karakterisering av membranelektrodkomponent (MEA) med användning av nya katalysatorer och högtemperaturmembran. Projekten inom delprogrammet är inriktade på ett antal»flaskhalsar«för fortsatt utveckling av polymerelektrolyt bränsleceller, såsom kondensat och kylning, begränsade resurser av platina, nedbrytning av polymerelektrolyten, och vätgaslagring. Om arbetstemperaturen för polymerelektrolytbränslecellerna var över 100 C så skulle problemet med att kyla bort värme i fordon vara enklare och mindre komplicerat. Problemet med att ha rätt vattenbalans i systemet skulle då också reduceras. Dagens polymerelektrolyt bränsleceller använder mycket platina som katalysator. Om platina kunde ersättas eller mängden förbrukad platina skulle kunna minskas skulle flera problem reduceras. Man skulle få billigare bränsleceller eftersom platina är dyrt. Miljöproblemen i samband med utvinning av platina som t ex utarmning av resursbasen, utsläpp av svavel och påverkan via stor energianvändning skulle minska. Det är också ett problem att platina huvudsakligen finns i Sydafrika. En politisk kris i detta område skulle få allvarliga konsekvenser för platinamarknaden. Ytterligare ett problem är den begränsade livslängden hos dagens bränsleceller. Membran bör utvecklas för att öka livslängden. Slutligen så har vi inom programmet sökt förstå hur och när vatten kondenseras i de bipolära plattorna genom att modellera flödena av gas och vätska. För mycket vattenkondensering minskar bränslecellens effektivitet. Bränslecellsstack Målet med detta delprogram var att konstruera en stack som kan fungera vid temperaturer över 100 C. Detta temperaturkrav ställer stora krav både på konstruktion och på komponenter. Inom delprogrammet fokuserades utvecklingen mot just konstruktionen. En celldesign togs fram som ett första mål. Ett långsiktigt mål är att reducera kostnaden för stackar från dagens kostnad på ca $/ kw till ca 50 $/kw. En kostnadsreduktion av den storleken är bara möjlig om produktionen sker i stor och industriell skala vilket ej har varit möjligt under programmets löptid. Målsättningen har dock varit att beskriva vad som möjligt att göra. Teknikutvärdering Detta delprograms huvudmål har varit att stödja programledningen med att upprätthålla fokus på hållbarhetsfrågor. Delprogrammet skulle också hjälpa till att 8

13 utveckla Sveriges strategi för bränsleceller och tillhörande bränsleinfrastruktur. Delprogrammet har speciellt fokuserat på vätgaslagring därför att det är en kritisk teknik för att förverkliga bränsleceller i fordon och andra applikationer. Vätgaslagring måste bli mer kostnadseffektiv, men också mer volymseffektiv för att man skall kunna få en tillräckligt lång körsträcka mellan tankningarna av ett fordon. MISTRAs Bränslecellsprogram Morphic Nolato Outokumpu Tanso Material och komponenter Cell och stack Cellkraft Volvo VTEC, Volvo VTEC Powercell Teknikbedömning Woxna Utveckling av membran baserade på aromatiska polymerer Molekylär karakterisering av protonledande membran Framställning och karakterisering av katalytiska nanopartiklar Nanofabrikation, karakterisering och modellering av elektrokatalysatorer Utveckling och karakterisering av MEA baserade på alternativa katalysatorer och högtemperaturmembran Elektrokemisk karakterisering av katalysatorer och porösa elektroder Gas-vätskeflöde, Värme och masstransport i polymerbränsleceller Vätelagring i metall-organiska föreningar Vätelagring i metallhydrider Teknikbedömning av bränslecellsssystem och introduktionsnischer 9

14 FORSKNINGSPROJEKT

15

16 Utveckling av membran baserade på aromatiska polymerer Problemet Dagens polymerbränslecellssystem är dyra och komplicerade, inte minst på grund av alla kringkomponenter såsom kompressorer, kylsystem, mm, som krävs. För en lyckad bred kommersiell lansering för användning i bilar och bussar är det nödvändigt att bränslecellsystemen görs enklare och billigare så att de på allvar kan tävla med förbränningsmotorer. Genom att öka arbetstemperaturen från dagens C upp till C kan flera potentiellt avgörande fördelar uppnås på systemnivå. Dessa fördelar inkluderar en ökad kolmonoxidtolerans hos elektrokatalysatorn, möjligheter att minska storleken på bränslecellsstacken genom snabbare reaktionskinetik, och ett mindre system genom ett reducerat kylbehov. Begränsningarna i utvecklingen av bränslecellsteknologin bestäms idag mycket av det protonledande membranets egenskaper och stabilitet. Membranets primära funktioner är att separera elektroderna i bränslecellen och att effektivt transportera protoner från anoden till katoden under olika driftbetingelser. Det protonledande membranet består av en polymer som funktionaliserats med sura kemiska grupper, typiskt sulfonsyragrupper, som lätt ger ifrån sig protoner. De sura grupperna gör att membranen absorberar vatten i nanoskopiska kanaler och det är sedan vattnet i dessa kanaler som transporterar protonerna. Följaktligen är protonledningen kritiskt beroende av vatteninnehållet i membranet. En ökad drifttemperatur över vattnets kokpunkt ställer till problem eftersom vattnet i de kommersiellt tillgängliga protonledande Nafion -membranen avdunstar, vilket gör att de praktiskt bara kan användas upp till ungefär 90 C. Trots försök att förbättra prestandan hos de perfluorerade Nafion -membranen, bl a genom inblandning av olika hygroskopiska nanopartiklar, har inte tillräckligt goda resultat uppnåtts. Det finns därför ett stort behov av att utveckla nya typer av membran skräddarsydda för drift vid högre temperaturer. Utmaningen ligger främst i att balansera olika nödvändiga egenskaper så att ett funktionellt membran erhålls. Detta är ett komplext problem eftersom många kritiska egenskaper är kopplade och därför inte kan optimeras oberoende. De otillräckliga egenskaperna hos de kommersiellt tillgängliga membranen motiverar idag en intensiv forskning för att utveckla membran baserade på olika sulfonerade aromatiska polymerer, till exempel sulfonerade polysulfoner, polyimider och polyketoner med mycket god mekaniskkemisk stabilitet. Genom att utveckla membran baserade på aromatiska polymer har man en stor flexibilitet när det gäller valet av strategi för hur man molekylärt bygger upp materialet. Detta gör att man har relativt stora möjligheter att manipulera och optimera kritiska materialegenskaper. Forskning har exempelvis nyligen visat att det är kritiskt hur man på molekylär nivå bygger in de sura grupperna i polymerstrukturen. Figur 2 Elektrokemisk cell för mätning av protonledning som universitet. 12

17 Resultat Huvudmålet i den andra fasen av programmet har varit att utveckla nya alternativa högtemperaturmembran för effektiv bränslecellsdrift över 100 C. För att uppnå målet har vi arbetat med molekylär design, syntes, and karakterisering av nya typer av väldefinierade sulfonerade och fosfonerade aromatiska polymerer med hög protonledning i kombination med hög mekanisk, termisk och kemisk stabilitet. Vi har specifikt inriktat oss på att tillverka och studera polymerer där sulfonsyragrupper byggts in i molekylära sidokedjor till polysulfonhuvudkedjan. Protonledande membran av dessa unika polymerer har sedan tillverkats och studerats för att utvärdera deras vattenupptagningsförmåga, protonledning, stabilitet, mm. Utvalda optimerade membran har även utvärderats i bränsleceller i samarbete med Tillämpad Elektrokemi på KTH. Några av huvudresultaten under perioden presenteras i punktform nedan: Syntesmetoder för framställning av en rad olika nya typer av polysulfoner med en, två eller tre sulfonsyragrupper på korta sidokedjor har utvecklats. Dessa syntesmetoder omfattar framförallt kemisk modifiering av kommersiellt tillgängliga polysulfoner. Fundamentala studier av polymererna har visat att sidokedjans längd och sulfoneringsgrad spelar en stor roll för membranets egenskaper, speciellt vid höga temperaturer. Membran baserade på olika polysulfoner funktionaliserade med monosulfonerade sidokedjor uppvisar en mycket god termisk stabilitet i vatten (>140 C) och protonledningar över 45 ms/cm vid 150 C och 100% relativ fuktighet. Bränslecellstester av utvalda membran har framgångsrikt genomförts på KTH. Utvärdering av celler med membran baserade på monosulfonerade sidokedjor uppvisar bäst egenskaper vid temperaturer mellan 90 och 100 C och en god hållbarhet på mer än 300 drifttimmar utan tecken på nedbrytning. Figur 3 Sulfonerat protonledande polysulfonmembran tillverkat En serie sulfonerade polysulfoner har tillverkats genom direkt polymerisation av kommersiellt tillgängliga sulfonerade monomerer. Dessa membranmaterial uppvisar en god termisk stabilitet (>300 C) och en protonledning på 130 ms/cm vid 120 C och 100% relativ fuktighet. En bränslecell med ett elektrodbelagt polysulfonmembran utvärderades framgångsrikt på KTH vid 120 C med goda resultat. För att uppnå en god kompatibilitet baserades både membranet och elektroderna på samma polysulfon. Nya syntesmetoder för tillverkning av olika fosfonsyrafunktionaliserade polysulfoner har utvecklats. Undersökningar av membran baserade på dessa polymerer har visat att fosfonsyragrupper är väl så effektiva för protonledningsförmågan som sulfonsyragrupper, under förutsättning att funktionaliseringen genomförs på rätt sätt. 13

18 Framtida utmaningar Även om egenskaperna hos de undersökta membranen generellt sett är mycket bra finns det fortfarande behov av förbättringar. Detta gäller framför allt deras förmåga att absorbera och behålla en»lagom«mängd vatten i ett brett temperatur- och luftfuktighetsintervall. Om membranen absorberar för lite vatten blir ledningsförmågan för låg. Å andra sidan, om membranen absorberar för mycket vatten försämras de mekaniska egenskaperna och membranet riskerar att spricka vid uttorkning. I slutskedet av projektet tillverkades några polysulfonmembran med tillsatser av speciella oorganiska nanopartiklar vilket gav förbättrade egenskaper. Dessa membran behöver dock noggrant optimeras när det gäller t ex typ av partiklar och fyllningsgrad för att ge förbättrade bränslecellsegenskaper. Den stora utmaningen ligger dock i att utveckla nya generationer av stabila och billiga membran som uppvisar hög protonledning i frånvaro av vatten eller någon annan lågmolekylär förening. En annan viktig utmaning ligger i att utveckla nya metoder att effektivt tillverka membran i större skala, samt att integrera membrantillverkning och elektrodtillverkning. LÄSTIPS Zhang, J.L., et al., High temperature PEM fuel cells, Journal of Power Sources, 2006, 160(2), Jannasch, P., Recent developments in high-temperature proton conducting polymer electrolyte membranes, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2003, 8, Jannasch, P., Fuel cell membrane materials by chemical grafting of aromatic main-chain polymers, Fuel Cells, 2005, 5(2), Hickner, M.A., et al., Alternative polymer systems for proton exchange membranes (PEMs), Chemical Reviews, 2004, 104(10), proton-conducting fuel cell membranes, Macromolecular Rapid Communication, 2002, 23(15), Figur 4 Reaktorsystem för kemisk syntes av sulfonerade polysulfoner genom polykondensation. Foto: P. Jannasch, Lunds universitet. 14

19 Polysulfon IEC = 2.18 meq.g Nafion 117 IEC =0.91meq.g-1 O SO 2 O O n (S/cm) 0.20 O SO 3 H HO 3 S SO H /T (K -1 ) Figur 5 Arrheniusdiagram med protonledningsförmågan hos ett membran bestående av en polysulfon med trisulfonerade sidokedjor kurva). Den kemiska strukturen hos polysulfonen visas till höger med sulfonsyragrupperna i rött. Figur NMR-instrumentet där en stor del av den strukturella karakteriseringen av membranpolymererna genomförts. Foto: J. Parvole, Lunds universitet. 15

20 Framställning och karakterisering av katalytiska nanopartiklar Problemet Ett av de allvarligaste problemen vid en storskalig introduktion av bränsleceller med en låg arbetstemperatur är det stora behov av platina som katalysator för att möjliggöra reaktionerna vid de båda elektroderna. Möjligheter till minskning av platina i katalysatorerna söks bland legeringar av platina och övergångsmetaller eller bland andra material som t ex blandoxider, eller övergångsmetalljoner koordinerade till kväveatomer i grafitliknande kolmaterial. Problem med dessa material är typiskt otillräcklig aktivitet och/eller stabilitet. Ett annat angreppssätt för minskningen av platina i katalysatorn är att finna en effektivare användning av platina genom att bereda platinapartiklar med alternativa metoder där partikelstorleken bättre kan optimeras. Problem med dessa studier är svårigheten att framställa platinapartiklar med en tillräckligt smal storleksfördelning för att kunna dra slutsatser rörande partikelstorlekseffekter. För att förbättra effekten vid hög belastning hos en bränslecell söks alternativ till konventionellt kol som katalysatorbärare hos kolmaterial med lämpligare porstorleksfördelning och högre specifik yta tillgänglig för aktiva katalysatorsäten. För att effektivt utnyttja dessa typer av nya kolmaterial krävs, på grund av deras speciella egenskaper, andra metoder för introduktionen av aktiva komponenter som exempelvis vid deponering av platinapartiklar. Alternativa supportmaterial till kol är önskvärt även ur en stabilitetssynpunkt. Här kan man tänka sig lösningar där platina deponeras på ett kemiskt stabilare material som i sin tur deponeras på kol. På så sätt undviks den direkta kontakten mellan platina och kolet varvid oxidering av kolet bör kunna minimeras. Resultat Arbetet i projektet har fokuserats på framställning av alternativa katalysator/elektrod material och kan delas upp i tre huvuddelar. Dessa är i) att bättre utnyttja platinainnehållet i platina/kol-material genom nya framställningsmetoder som bättre kontrollerar partikelstorleken hos platina, ii) att framställa och utvärdera alternativa katalysatormaterial med fokus på blandoxider innehållande platina, och iii) att framställa alternativa elektrodmaterial med hög specifik yta, smal porstorleksfördelning och kemisk stabilitet. De viktigaste resultaten från projektet kan sammanfattas i följande punkter. Figur 7 Schematisk modell av palissadskiktet omgivande den växande platinapartikeln i fasöverföringsmetoden. Kortkedjiga - alkylaminer kommer att vara mer statiskt och tillgängligheten för platinasaltkomplex kommer att vara mer begränsad under tillväxten jämfört med situationen med kortkedjiga alkylaminer vilket kan förklara skillnaderna i slutlig partikelstorlek. 16

21 En förbättrad elektrokatalytisk aktivitet jämfört med kommersiella material kan erhållas genom att nanopartiklar av platina framställts i mikroemulsion och sedan deponerats på motsvarande konventionella kolmaterial som i det kommersiella referensmaterialet. En metod att framställa nanopartiklar av platina med mycket smal storleksfördelning och liten storlek har utvecklats och platina/kol prov har framställts för att belysa att det finns en effekt av platinapartikelstorleken på den katalytiska aktiviteten, men vi fann att storleken sannolikt ändras under drift, vilket gör en koppling mellan storlek på platinapartikeln och dess aktivitet svår att göra. En ny metod har utarbetats för framställning av de rapportade alternativa katalysatormaterialen Sr 3 NiPtO 6 och Sr 3 CuPtO 6 med vilken en högre specifik yta kan erhållas. Den elektrokemiska utvärderingen visade dock att dessa material inte är tillräckligt stabila i bränslecellsmiljön utan sönderfaller till platina, vilket ger den rapporterade goda aktiviteten. Ordnat mesoporöst kol med specifika ytor upp till 1800 m 2 /g har framställts med möjligheter att kontrollera sammansättningen på det mesoporösa kolet genom valet av syntesmetod. Svavel/kol-förhållandet har visat sig kunna styras relativt väl. Kolet har delvis utvärderats som supportmaterial för platinapartiklar framställda i mikroemulsion och deponerade på kolet. Studien visar ett behov av optimering av MEA-beredning och platinadeponering för denna typ av kol som skiljer sig från metoderna för konventionellt kol. En metod att deponera nanopartiklar av platina i porsystemet hos ett ordnat mesoporöst kol har utarbetats och bekräftats vara framgångsrikt med hjälp av avancerad elektrontomografi. En studie av möjligheten att använda TiO 2 (rutil och anatas) som supportmaterial för platinapartiklar har visat lovande initiala aktivitetsresultat. Kontakten mellan platinapartiklarna och kolsupportet minimeras genom att platina först deponeras på TiO 2 pulver vilket i nästa steg dispergeras med kolpulvret. En metod för framställning av nanopartiklar av Zn 2 PtO 4 har utarbetats. Detta material är betydligt stabilare i bränslecellsmiljön än Sr 3 NiPtO 6 och Sr 3 CuPtO 6. Materialet verkar dock inte ha en nämnvärd katalytisk aktivitet. Figur 8 Schematisk bild av syntes av platinapartiklar i vatten-i-olja mikroemulsion. 17

22 Framtida utmaningar Framtida utmaningar i relation till projektet rör främst en ökad förståelse för katalytisk aktivitet och kemisk stabilitet hos alternativa katalysatormaterial. De olika metalloxider som framställts och utvärderats i projektet har antingen visat otillräcklig stabilitet eller aktivitet. Under projektets lopp har arbete rapporterats som pekar på att nya typer av järn/kol material har intressanta katalytiska egenskaper. Dessa studier bör följas upp och speciellt relateras till arbete med det ordnade mesoporösa kolet som verkar inneha positiva egenskaper för denna nya typ av katalysatorer. Alternativa supportmaterial såsom TiO 2 bör även studeras vidare i samband med platina och kol för att belysa om dessa är stabilare än platina/kol material. Utmaningar finns även inom arbetet med att anpassa de inom projektet utvecklade syntesmetoderna och materialen till lämpliga MEA framställningsmetoder. Detta består t ex i att anpassa de två utvecklade våtkemiska metoderna för framställning av suspensioner av platinapartiklar till inkjet-teknologi. För detta arbete krävs optimering av partikelkoncentration, kolloidal stabilitet och reologiska egenskaper hos suspensionerna, men även arbete med uppskalning av framställningsmetoderna. Fortsatta studier av de mesoporösa kolen som komponent i MEA kommer att kräva optimeringar av jonomer/kol-förhållande, samt kolloidal stabilitet och reologiska egenskaper hos suspensioner av dessa högytiga kolmaterial som är väldigt olika konventionella kolmaterial. Figur 9 Medeldiameter på platinapartiklar framställda med fasöverföringsmetoden som funktion av kolkedjelängd hos alkylaminen som användes som stabiliseringsagent. Figuren visar möjligheten att kontrollera storleken på partiklarna genom val av syntesbetingelser. Figur 10 Svepelektronmikroskopibild av ett ordnat mesoporöst kolprov. Skalstrecket motsvarar 100 nm. Bild: Kjell Wikander. 18

23 platinapartiklar är deponerade inne i porerna på en ordnad mesoporös kolpartikel utförd med hjälp av sveptransmissions-elektronmikroskopi (HAADF STEM) i samarbete med University of Cambridge i England. (a) HAADF STEM bild tagen vid 0 lutning av provet. (b) och (c) visar två parallella 1-nm tjocka skivor (separerade 35 nm från varandra) tagna från ett rekonstruerat tomogram. (d) Projektioner av en 3D rekonstruktion visade med 60 intervall runt en gemensam lutningsaxel. Kolytan är färgad blå och platinapartiklarna är röda för ökad tydlighet. Bilderna är tagna av Ana B. Hungria och Paul A. Midgley vid University of Cambridge. Personerna i projektet: Kjell Wikander Per Kjellin Anders Palmqvist LÄSTIPS Nanostructured catalysts and electrode materials for PEM fuel cells. Kjell Wikander. Teknologie Licentiatavhandling, Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg 2005 Activity benchmarks and requirements for Pt, Pt-alloy, and non-pt oxygen reduction catalysts for PEMFCs. H.A. Gasteiger, S.S. Kocha, B. Sompalli, F.T. Wagner. Applied Catalysis B: Environmental, 56, 9-35, (2005). Ordered nanoporous arrays of carbon supporting high dispersions of platinum nanoparticles S.H. Joo, S.J. Choi, I. Oh, J. Kwak, Z. Liu, O. Terasaki, R. Ryoo. Nature, 412, 169, (2001). Alternative catalysts and carbon support material for PEMFC. K. Wikander, H. Ekström, A.E.C. Palmqvist, A. Lundblad, K. Holmberg, G. Lindbergh Fuel Cells, 6, 21-25, (2006). Incorporation of platinum nanoparticles in ordered mesoporous carbon. K. Wikander, A.B. Hungria, P. Midgley, A.E.C. Palmqvist, K. Holmberg, J.M. Thomas. Journal of Colloid and Interface Science, 305, , (2007). 19

24 Nanofabrikation, karakterisering och modellering av elektro-katalysatorer Problemet Bränsleceller är en användbar teknik för direkt omvandling av kemisk energi till elektrisk energi. Även om principen för tekniken är relativt enkel, så ställs stora krav på materialen i de olika delarna av bränslecellen som t. ex. i de bipolära plattorna, det jonledande membranet eller i elektroderna. I en H 2 /O 2 polymerelektrolytbränslecell skall omvandlingen av bränslet ske effektivt; vätgas och syrgas skall omvandlas till vatten i elektroderna med hög verkningsgrad vid låg temperatur. För detta krävs effektiva och selektiva katalysatorer i elektroderna. Vidare så måste katalysatormaterialet och dess support vara stabilt i den korrosiva miljön i en bränslecell. Platina (Pt) är den idag mest använda katalysatorn i lågtemperatur bränsleceller. En minskning av halten platina katalysator i elektroderna behövs för att göra bränsleceller mera kostnadseffektiva. Exempelvis, för en 100 kw personbil som drivs av bränsleceller är råmaterials kostnaden för platinakatalysatorn ca SEK (1 gpt/kw). En minskning av Pt halten med 5 ggr (till 0,2 gpt/kw) krävs för att bränsleceller skall vara ett attraktivt alternativ till förbränningsmotorn för personbilar [Gasteiger 2005]. Vidare så är Pt tillgången begränsad, och en drastiskt ökad användning av bränsleceller skulle kunna orsaka brist av platina, speciellt som många andra katalytiska processer också använder Pt katalysatorer. Bränslecellselektroder har en komplicerad struktur, där nm-stora Pt katalysatorpartiklar är blandade med ett kolsupport och en protonledande fas. I elektroderna krävs god ledning av reaktanter/produkter (gaser, joner och elektroner) till och från de katalystiska partiklarna. Elektrodernas prestanda beror både av materialet i katalysator/support och elektrodens mikro/nano struktur. På grund av elektrodernas komplicerade uppbyggnad, så kan förenklade modell experiment användas för att studera inverkan av enskilda material- eller strukturparametrar på bränslecellens prestanda. Vidare behövs teoretisk förståelse av de mekanismer som sker i elektroderna. katalysator lager. Med denna metod kan material, storlek och avstånd för katalysatorpartiklarna varieras med god kontroll, vilket ger möjlighet till detaljerade studier av inverkan av dessa parametrar på prestanda. Som exempel visas SEM bild av 150 nm Pt partiklar på kolsupport. Detta projekt har handlat om att ta fram nya katalysator/ support material, samt att förstå de katalytiska mekanismerna som sker i elektroderna i polymerelektrolytbränsleceller. Katalysatorer och supportmaterial har tillverkats med tunnfilms deponerings metoder och testats för elektrokatalytisk förmåga (i samarbete med KTH). En ny approach för att tillverka och testa katalysatormaterial för bränsleceller har tagits fram i detta arbete. Vidare har Monte Carlo simuleringar tagits fram för att studera elektrokemiska reaktioner på nano-nivå. 20

25 Resultat Katalysatortillverkning och karakterisering Flera metoder för att tillverka tunna katalysatorlager på polymerelektrolytmembran och kolsupport har utvecklats. Vakuum deposition av nanometer tunna lager och kolloidal litografi har använts för nanofabrikation av katalysatorer. Med dessa metoder kan modell katalysatorer tillverkas med god kontroll över struktur och material. En fördel med dessa metoder är att relativs snabb tillverkning och testning av många olika material är möjlig. De tunna katalysatorlagren som används i detta projektet kan ses som tunna skivor (i genomskärning) av konventionella porösa elektroder. Elektronmikroskopi (SEM och TEM) och ytspektroskopi (XPS) har använts för noggrann karakterisering av de tillverkade katalysatorerna. Katalysatorernas prestanda har utvärderats i elektrokemiska tester i bränsleceller (i nära samarbete med KTH). Pt, Au, Ir och TiO 2 tunna katalysatorlager Nanometer tunna katalysatorlager av Pt, Au, Ir och TiO 2 har deponerats på nafion 117 membran med vakuumförångning. Dessa användes som katoder i bränslecellstester (samarbete med KTH). Den optimala tjockleken bestämdes till 3-6 nm, vilket gav filmer med täckningsgrad på 70-90% (beroende på filmtjocklek och material). Aktiviteten för syrereduktion fanns vara Pt > Ir > Au >TiO 2, och dessa material befanns stabila de elektrokemiska testerna. Vidare tillverkades och testades mixade katalysatorlager av typen PtMe där Me=Au,Ir,TiO 2. I detta arbete fanns att aktiviteten berodde på material, filmtjocklek och i vilken ordning som lagren deponerats. Jämfört med Pt, så uppvisade PtIr och PtTiO 2 god aktivitet, medan PtAu hade mycket låg aktivitet. Speciellt så gav ett lager av TiO 2 placerat mellan Nafion och Pt ökad aktivitet i dessa modell experiment. Detta befanns bero på ökad dispersion för Pt belagt på TiO 2 jämfört med Pt direkt på Nafion, samt god protonledning genom TiO 2 filmen. TiO 2 kan alltså fungera både som support material för Pt katalysatorn i elektroderna, och protonledande elektrolyt. Inblandning av TiO 2 i elektroder för bättre prestanda och hållbarhet har legat till grund för en svensk patentansökan. Kinetiska modelleringar på nanonivå Ett flertal modeller har tagits fram för att beskriva olika aspekter av den komplicerade kinetiken för katalytiska reaktioner i låg-temperatur bränsleceller. Som exempel har mekanismerna för elektrokemisk syrereduktion på platina analyserats med Langmuir kinetiska reaktionerna. Vidare har inverkan av den strukturella heterogeniteten av polymerelektrolyten på reaktionskinetiken modellerats med Monte Carlo simulering. 21

26 Framtida utmaningar Elektroderna och katalysatorerna i låg-temperaturbränsleceller behöver förbättras med avseende på prestanda, hållbarhet och selektivitet. För att åstakomma detta krävs fortsatt forskning på nya katalysatormaterial, samt förbättrad elektrodstruktur på mikro och nanonivå. Prestanda Elektrod/katalysatormaterial med bättre prestanda och/eller lägre kostnad krävs för att göra låg-temperatur bränsleceller till ett realistiskt alternativ i framtidens energisystem. Vanliga approacher i forskningen är mer effektiv användning av platinakatalysatorn eller framtagning av alternativa katalysatormaterial. Hållbarhet Prestanda för elektroderna minskar under lång användning. Detta beror bland annat på korrosion av kolmaterialet i elektroderna samt sintring av katalysatorn. Ökad tålighet för elektrodmaterialet är en stor utmaning för framtiden. Selektivitet I tillämpningar där reformerad vätgas eller metanol används i bränsleceller krävs selektiva katalysatorer som exempelvis är tåliga mot förgiftning av katalysatorn. genomskärningar av konventionella porösa elektroder. De tunna 2, jämfört med konventionella elektroder, ~ 0,4 mgpt/cm 2. LÄSTIPS Platinajakt för renare luft. Malin Sandström, Dougald MacFie. Dagens Nyheter, 27 augusti Nanostructured Fuel Cell Catalysts. Marie Gustavsson. Doktorsavhandling, Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg 2006 Activity benchmarks and requirements for Pt, Pt-alloy, and non-pt oxygen reduction catalysts for PEMFCs. H.A. Gasteiger, S.S. Kocha, B. Sompalli, F.T. Wagner. Applied Catalysis B: Environmental, 56, p H. Ekström, P. Hanarp, L. Eurenius, G. Lindbergh, E. Olsson and B. Kasemo. Journal of Power Sources, in press Figur 14 Schematiska skisser (från sidan) samt TEM bilder på prov- En- och två-lagersstrukturer har tillverkats, med variation i material (bland annat Pt, Au, Ir och TiO 2 i TEM bilderna har en total tjocklek på 3 nm. 22

27 Figur 15 Illustration av tillverkning av tunna katalysatorlager med vakuumförångning (ovan). Schematisk skiss (från 23

28 Elektrokemisk karakterisering av katalysatorer och porösa elektroder Problemet Även om polymerbränslecellen har acceptabla prestanda för användning i många applikationer i samhället idag så ligger ett stort hinder alltjämt i vägen för att en bred kommersialisering, för exempelvis fordonstillämpningar, skall vara möjlig. Problemet är mängden platina som används i elektroderna. Detta gäller främst på katodsidan för syrereduktion, på anodsidan går det att minska mängderna ganska ordentligt. Kommersiellt tillverkade bränslecellselektroder innehåller idag typiskt runt 0.5 mg/cm 2 platina på katodsidan, vilket leder till c:a 40 g platina för en 75 kw (ca 100 hästkrafters) bränslecellsstack, som typiskt skulle kunna driva en vätgasbil. Kostnaden för enbart platinametallen på katodsidan skulle då uppgå till över kr. Vidare är det osäkert om världens samlade fyndigheter av platina ens skulle kunna räcka för att placera en bränslecellsstack i varje personbil. För att minska platinamängden behöver man mer kunskap om hur polymerbränslecellskatoden fungerar, om hur struktur och material inverkar och kan väljas för att minimera förluster. Vidare är det givetvis önskvärt att försöka hitta en ersättare till den dyra platinametallen som katalysator, exempelvis har platina legerat med vissa övergångsmetaller så som kobolt eller nickel visat högre aktivitet än ren platina. Det här projektet hade som mål att öka kunskapen om begränsande faktorer på katodsidan, att utveckla experimentella metoder för att mäta katalytisk förmåga hos nya material och att titta på modellsystem för att lära sig mer om hur strukturer på själva katalysatorytan spelar in i. Med hjälp av mer kunskap om syrereduktionen på platina i katoden kan man sen rimligtvis förbättra katodens prestanda och minska mängden platina i bränslecellen, och därmed sänka kostnaden för bränslecellssystemet som helhet. Resultat Samtliga studier har bedrivits på syrereduktion i bränslecellskatoden, när inget annat anges. Ett nära samarbete med två grupper på Chalmers, Teknisk Ytkemi (TYK) och Kompetenscentrum för Katalys (KCK), bedrevs genomlöpande under programmets gång. Resultat i samarbete med TYK En rad platinakatalysatorer deponerade på kol med olika metoder testades i bränslecell. Prestanda visade sig vara fullt jämföra, och i vissa fall något bättre, än ett kommersiellt referensprov. Artikel publicerad i Fuel Cells. Tre oxider testades för aktivitet för syrereduktion, Sr 3 NiPtO 6, Sr 3 CuPtO 6 och Zn 2 PtO 4. Ingen katalysator visade sig vara bättre än ren Pt. Oxiderna visade sig heller inte vara särskilt stabila, utan sönderföll efter en tid till bl.a. ren platina. Artikel inskickad till Journal of Power Sources. Bränslecellstest av stabilitet och aktivitet hos platinakatalysatorer tillverkade med en ny metod (Phase Transfer Method), deponerade på kol. Ett resultat var att oavsett vilken nm-storlek av Pt under 3 nm man startar med, så korroderar/växer partiklarna i storlek ganska snabbt i cellen och ger mycket likartad aktivitet och en elektrokemiskt aktiv Pt-yta på omkring 30 m 2 /g Pt. Att minska platinamängden genom att gå ner i partikelstorlek och därigenom öka ytan är nog därför inget rimligt spår, om man inte på något sätt stabiliserar partiklarna. Artikel håller på att färdigställas för att sändas in till Electrochimica Acta. De två senare studierna gjordes med en nyutvecklad pipetteringsmetod för att kunna testa de relativt små (<0.5 g) mängderna av katalysatorkol. Detta sparar mycket tid eftersom mindre material behöver syntetiseras. Även cyklisk voltammetri i kvävgas har introducerats i metodiken för att bestämning av aktiv platinayta. 24

29 Resultat i samarbete med KCK Ny metodik utvecklad för att mäta på plana modellkatalysatorer i bränslecellsmiljö. Detta medger studier av strukturinverkan på katalys. Vi kunde bland annat se att inte någon skillnad i ytaktivitet föreligger mellan 23 nm stora Pt-partiklar jämfört med en homogen film. Vidare observerades skillnader i aktivitet beroende på de omgivande gasernas fuktighet, detta beror delvis på skiftande platinaoxidbildning på katalysatorytan. Artikel publicerad i Journal of the Electrochemical Society. Genom att belägga polymermembran direkt med nm-tunna katalysatorskikt har en ny metodik utvecklats för att snabbt kunna utvärdera olika katalysatorer i bränslecellsmiljö. En rad olika ämnen har testats Pt, Au, It, Ti. Även bilager av två ämnen testades. Pt visade sig alltid vara aktivast. Systemet Pt+Ti visade sig mycket intressant då Pt deponerar ovanpå Ti ger en ytförstoring av Pt, samt att det underliggande Ti-skiktet, som efter tillverkning oxideras till TiO 2, faktiskt leder protoner. Två artiklar har färdigställts på systemet PtTiO 2, en finns publicerad i Journal of Power Sources, en är insänd till Electrochimica Acta. Ett patent har sökts på att använda tunna skikt av Pt och Ti i bränslecellselektroder. Framtida utmaningar Under senare tid har stabilitet hos platina och kolbärarmaterialet globalt sett fått alltmer uppmärksamhet i bränslecellsforskningen, vilket också stöds av slutsatser från det här projektet. Prestanda efter bara någon timme i cell är av mindre intresse om prestanda inte visar sig kunna bibehållas under längre tid. Alltså är vidare studier av korrosionsprocesser hos kol och platina av stort intresse. Vi har sett att nm-tjocka skikt av platina verkar kunna stabiliseras av titan/titanoxid och kanske kan detta vara ett sätt att komma ner i partikelstorlekar, dvs att öka yta-mot-massaförhållandet, utan att äventyra korrosionsbeständighet och långtidsprestanda. Figur 16 Bilden visar en s.k. polarisationskurva för syrereduk- itet uppnås då ett 3 nm TiO 2 Pt samt att TiO 2 observeras sämre syrereduktionsströmmar än enbart 3 nm Pt p.g.a. en blockerande effekt hos TiO 2 LÄSTIPS Activity benchmarks and requirements for Pt, Pt-alloy, and non-pt oxygen reduction catalysts for PEMFCs, Gasteiger HA, Kocha SS, Sompalli B, Wagner FT, Applied Catalysis B Environmental, 56 (1-2) 9-35 (2005) Investigation of Mass-Transport Limitations in the Solid Polymer Fuel Cell Cathode II. Experimental, J. Ihonen, F. Jaouen, G. Lindberg, A. Lundblad, G. Sundholm, Journal of The Electrochemical Society, 149 (4) A448-A454 (2002) H. Ekström, P. Hanarp, L. Eurenius, G. Lindbergh, E. Olsson and B. Kasemo, I tryck, Journal of Power Sources 25