Nya mjuka material för bränsleceller

Transkript

1 Slutrapport för projekt Nya mjuka material för bränsleceller Aleksandar Matic och Per Jacobsson Chalmers tekniska högskola Aleksandar Matic APPLIED PHYSICS Chalmers University of Technology SE Göteborg, Sweden Visiting address: Origovägen 6B Phone: +46 (0) Chalmers tekniska högskola AB Reg.No: VAT No: SE

2 2(12) 1. Bakgrund Det nu redovisade projektet är en hopslagning av projekten och Dessa två projekt, som var inriktade mot studier av material för bränsleceller respektive utveckling av utrustning för karakterisering av mjuka material, kunde bara delvis fullföljas på grund av att projektledarna slutade sina anställningar. Ångpanneföreningens Forskningsstiftelse beviljade en ihopslagning av de två projekten till ett nytt projekt inriktat mot studier av nya mjuka material för bränsleceller. En delredovisning av projekt godkändes i samband med detta och bifogas denna slutrapport som Bilaga 1. Den totala summan beviljat för projektet var kr varav har betalats ut. Vi önskar nu efter denna slutrapport rekvirera återstående medel för projektet. 2. Introduktion Idag pågår intensiv forskning för att utveckla nya system för energiomvandling. Inte minst är det behovet av att minska utsläppen från transportsektorn som driver på utvecklingen mot el- och hybridfordon. Energisystem baserade på bränsleceller, där elektricitet skapas då vätgas förbränns med endast vatten som biprodukt, har länge ansetts som en av de mest lovande lösningarna. Men en storskalig kommersialisering av teknologin har begränsats av bland annat elektrolytens prestanda. Dagens teknologi bygger på hydrerade polyelektrolytmembran med en maximal arbetstemperatur under 100 C. Fordonsindustrin har i sin kravspecifikation en arbetstemperatur på ca 130 C. Idag finns det inget material som möter denna specifikation men ett antal olika lösningar har föreslagits och lovande resultat har uppvisats i laboratorieförsök. Inom området mjuka material, som polymerer och geler, har man försökt hitta alternativa lösningar till hydrerade polyelektrolytmembran. En ny lovande teknologi baseras på så kallade jonvätskor, dvs. vätskor som består av bara anjoner och katjoner och där kombinationsmöjligheterna är enormt stora. Det är kombination av hög

3 3(12) jonledningsförmåga, termisk och elektrokemisk stabilitet, ett lågt ångtryck som gör dessa material attraktiva för tillämpningar. Dessa vätskor är dessutom ett miljövänligt och förhållandevis billigt alternativ. I vår forskning rörande protonledande jonvätskor för bränsleceller riktar vi in oss på att förstå hur grundläggande egenskaper (protonledningsförmåga, viskositet, termisk och kemisk stabilitet) beror av den molekylära strukturen och växelverkan mellan olika joner i vätskan. Målet är att baserat på den kunskap vi bygger upp kunna förutsäga vilka egenskaper en speciell jonvätska kommer att ha och på så vis kunna skräddarsy nya vätskor för särskilda tillämpningar. En bättre förståelse för jonvätskor som material bäddar därför för en bättre miljö och uthållig energihushållning i framtiden. Den specifika frågeställningen som vi har riktat in oss på i det här projektet har varit kopplingen mellan jonvätskornas viskositet och ledningsförmågan. Ledningsförmågan mäter man relativt standardmässigt med dielektrisk spektroskopi över ett stort temperaturområde. Mätningar av viskositet över motsvarande temperaturområde är däremot inte lika enkelt. I projektet har vi haft som mål att ta fram en metod där vi med hjälp av probpartiklar i nanometer storlek (ca 20 nm) kan mäta viskositeten som funktion av temperatur med hjälp av dynamisk ljusspridning. Projektet har strukturerats i två deluppgifter som genomförts i stort sett parallellt i projektet. Dels har vi arbetat med preparationsmetoder för att få in probpartiklar i jonvätskan och att karakterisera dessa. Dels har vi arbetat med att optimera experimentuppställningen för att göra både snabbare och mer precisa experiment. Finansieringen från Ångpanneföreningens Forskningsstiftelse har gett oss möjligheten att anställa Hicham Sabir som projektarbetare. Sabir är mastersstudent från Frankrike som följer programmet i Applied Physics på Chalmers. Han har arbetat hos oss (20%) vid sidan av studierna och under loven. Det har varit ett viktigt tillskott i arbetskraft hos oss och har inneburit att projektet har kunnat realiseras. Det har också betytt mycket för

4 4(12) Sabir som fått en god inblick i forskning och utveckling. Han går nu vidare i sina studier och genomför våren 2010 examensarbete i Kanada. 3. Optimering av utrustning för karakterisering av nya material Som en fortsättning av den första utvecklingen av utrustningen för dynamisk ljusspridning som beskrivs i delrapporten, se Bilaga 1, har vi arbetat med att optimera provomgivning och detektionssystemet. Specifikt var uppgiften att ta fram ett ny flexibel uppställning för vinkelberoende mätningar med möjlighet att mäta både polariserad och depolariserad spridning. Ny mekanik och optik köptes in efter beräkningar av optimal geometri för experimenten. Med den nya uppställningen kan vinkeln ändras kontinuerligt genom en släde som löper fritt på en räls. Det finns nu också möjlighet använda olika optiska komponenter, som polarisatorer, i insamlingssystemet. Även en ny laser köptes in som har en ökad stabilitet för att få mer precisa mätningar. Figur 1. CAD-ritning på den nya uppställningen och foto av uppställningen. 4. Preparation av jonvätskor med nanopartiklar Metoden att mäta viskositet med hjälp av probpartiklar bygger på att man i dynamisk ljusspridning kan bestämma diffusionskoefficienten för partiklarna i vätskan. Om man känner partikelns radie kan man erhålla vätskans viskositet (oftast används metoden tvärtom för att bestämma storleken på partiklar i en vätska med känd viskositet).

5 5(12) Vi beräknade att partiklar i nanometerstorlek skulle passa bäst för experimenten. Partiklar i olika storlekar och material (polystyren, silica, etc) finns kommersiellt tillgängliga i vattenlösning. I projektet undersökte vi ett antal olika system och kom fram till att polystyrenpariklar men en radie av 20 nm passade bäst. Vi tog därefter fram ett preparationsprotokoll för att få partiklarna från vattenlösningen till jonvätskan och ett antal olika jonvätskor testades. Utvärderingen av metoden skedde med ljusspridning för att se att partiklarna fanns i jonvätskan och med IR spektroskopi för att se att inget vatten från den ursprungliga partikellösningen fanns kvar i det slutliga provet. Vi har nu preparerat ett antal olika jonvätskor med nanopartiklar. 5. Personal i projektet Projektarbetare Hicham Sabir Doktorand Jagath Pitawala Doktorand Jonas Nordström Docent Aleksandar Matic Professor Per Jacobsson Samtliga tillhör avdelningen för Kondenserade Materiens Fysik, Institutionen för tekniks fysik, Chalmers tekniska högskola. Matic och Jacobsson har stått för projektledning och planering. Sabir har varit central i projektet både vad gäller uppbyggnad och optimering av utrustning, tillsammans med Nordström, och i preparation och utvärdering av jonvätskor med nanopartiklar, tillsammans med Pitawala. Endast Sabir har varit avlönad med medel från projektet.

6 6(12) 7. Ekonomisk redovisning Anslag från ÅF (hittills utbetalt ) Kostnader Personal Projektarbetare Hicham Sabir Material Nya jonvätskor, pariklar Utrustning Ny design av ljusspridningsutrustning Laser Delredovisnig (se Bilaga 1) Summa

7 7(12) Bilaga 1: Delrapport för ingiven augusti 2008 "Utveckling av ny utrustning för karaktärisering av ytor i mjuka material" Anslag nr Projektrapport Christer Svanberg Chalmers Tekniska Högskola

8 8(12) Introduktion och mål Mjuka material som tex. vätskor, polymerer och biomolekyler är viktiga i en lång rad tekniska tillämpningar som nanolitografi, biosensorer, bränsleceller osv. Mjuka material är dock mycket komplexa och vår kunskap om dem är ännu begränsad. Mycket forskning handlar därför om att förstå grundläggande egenskaper hos mjuka material. Till exempel har ytor mycket stor betydelse för tex. friktion och biokompatibilitet. Därför är det mycket viktigt att kunna karakterisera dynamik och struktur både nära ytor och i bulk. En klassisk metod att karakterisera rörelser hos molekyler eller partiklar är dynamisk ljusspridning. En central komponent i dynamisk ljusspridning är den så kallad korrelatorn, vilket används för att analysera det spridda ljuset. Kommersiella korrelatorer är elektroniska kretsar special-designade för att göra realtidsanalys av inkommande signaler, vilket i ljusspriddningsexperiment används för att karakterisera rörelsen av partiklar eller makromolekyler. Dagens korrelatorer är dyra och utnyttjar inte fördelarna med modern mikroprocessorteknologi. Målet med projektet var därför att konstruera en ny typ av mikrokorrelator för ljusspektroskopi som är billig, flexibel och ger möjligheter till avancerad databehandling. Projektets utförande Denna slutrapport beskriver de viktigaste resultaten från de pilotstudier som har genomförts inom ramen för detta projekt. Nedan redovisas resultaten av utvecklingen av en prototyp baserat på Motorolas mikroprocessor HC08, vilken har gått under arbetsnamnet Corr08. Utifrån erfarenheterna från denna första studie designades och konstruerades en andra proptotyp, MicroCorr. I projektet har vi också utvärderat möjligheterna till avancerad databehandling av experimentella data i realtid och börjat utvecklingen av ett dataprogram för styrningen av korrelatorn med hjälp av ett grafiskt gränssnitt. Resultaten från samtliga dessa tester är mycket positiva och allt tyder på att projektet skulle vara teknisk genomförbart. Dock har Christer Svanberg, som varit ansvarig för projektet, slutat på Chalmers och därför kan inte projektet slutföras som planerat.

9 9(12) Pilotprojekt 1 - Corr08 Den första studien var konstruktionen av en prototyp bestående av en mikrodator, Motorola HC08, ihopkopplad med en PC. Mikrodatorn används för att detektera pulserna och PC för att lagra informationen. Detta system har gått under namnet Corr08 och har utvecklats i samarbete med stundenter på programmet för datorstödd fysikalisk mätteknik (DFM) vid Göteborgs universitet. Mjukvaran till Corr08 är ett assemblerprogram för mikrodatorn och ett program i C för PC. Till detta finns även elektronik för sammankoppling till detektorn. Systemet är funktionstestat med mycket bra resultat. Mikrodatorn klarar av att detektera pulser med mycket korta tidsintervall mellan och överföringen av data till PC:n fungerar utmärkt. Dessutom klarar programmet som körs på PC:n att spara data i en binär fil för senare databehandling.

10 10(12) Pilotprojekt 2 - MicroCorr Baserat på erfarenheterna med Corr08 designades och konstruerades en mer avancerad prototyp, MicroCorr. Kopplingschemat för MicroCorr och en bild på den färdiga produkten visas i Figur 1. Figur 1. Kopplingschema och bild av MicroCorr Denna prototyp inkluderar alla komponenter för den tänka slutgiltiga designen, så som mikrodator, anslutningar till parallelport och koaxialkabel, samt övrig elektronik. Samtliga test som har genomförts med MicroCorr är mycket lovande och vi anser därför att den förslagna designen har goda förutsättningar att uppfylla kraven i projektbeskrivningen. Design och kod är dock inte fullt testad och optimerad.

11 11(12) Databehandling i realtid och styrprogram för korrelatorn För att hantera indata från korrelatorna samt för att i visa experimentella data har program i Igor Pro utvecklats. Igor Pro är ett kommersiellt program med ett användarvänligt grafiskt gränssnitt för datakommunikation, avancerad dataanalys och grafisk presentation. Vårt program är designat för flexibilitet och nuvarande version kan läsa in och hantera data ner till nivåer under mikrosekunder. Optimering av programkod samt programmering av kritiska avsnitt i koden i C++ förväntas sänka gränsen för databehandling till långt under vad som krävs för praktisk använding med Corr08 och MicroCorr. I Figur 2 visas en bild från programmet. Figur 2 Program för inhämtning, analys och grafisk representation av data från korrelatorn.

12 12(12) Slutsatser Pilotstudierna som har genomförts har alla gett positiva resultat. Testerna har visat att prestanda för prototyperna har uppfyllt eller överträffat förväntningarna. Allt tyder därför på att projektet skulle vara tekniskt genomförbart men då Christer Svanberg, som varit ansvarig för projektet, slutat på Chalmers måste projektet avslutas i förtid. Pilotstudierna har dokumenteras och all information finns på Chalmers tekniska högskola. Utgifter Igor Pro licens programvara 1070 Komponenter för prototyp 761 Programmerare/Debugger för PIC-controllers, ICD C-kompilatorlicens, PICC Högskoleavgift 6400 Summa utgifter 17887