Bränslecellsforskning från en materialtillverkares synvinkel

Transkript

1 Bränslecellsforskning från en materialtillverkares synvinkel Jörgen Westlinder Manager R&D Coated Strip Products, Sandvik Materials Technology, Sandviken

2 Safety first Safety is our top priority Protective Equipment Emergency Number Emergency Exit Assembly Point Alarm 2

3 Översikt Presentationens omfattning Intro kort om Sandvik Bränsleceller hur funkar det? Material och tillverkning Vetenskapliga frågeställningar Marknadsutsikter Summering 3

4 Sandvik en global ledare Orderingång MSEK Fakturering MSEK Avkastning på sysselsatt kapital 16,0% Rörelseresultat 10,8% Sandvik - koncernen Antal aktieägare Andel aktieägare utanför Sverige 33 % Investeringar i anläggningar MSEK Antal produktionsenheter 140 Antal anställda siffor Sandvik Construction Sandvik Machining Solutions Sandvik Materials Technology Sandvik Mining Sandvik Venture Erbjuder avancerade lösningar inom konstruktions- och anläggningsbranschen. En global marknadsledande tillverkare av verktyg och verktygssystem för avancerade industriprocesser för skärande bearbetning. En världsledande tillverkare av högt förädlade produkter i avancerade material, speciallegeringar, metalliska och keramiska motståndsmaterial. En världsledande global leverantör av utrustning och verktyg, service och tekniska lösningar för gruvindustrin. Process Systems Delar av MedTech Hard Materials Diamond Innovations Wolfram Dormer 4

5 Historia Grundades 1862 i Sandviken, Sverige. Göran Fredrik Göransson använde Bessemermetoden först i världen för att producera stål i industriell skala. Ett tekniskt genombrott och en innovation som startade företaget. 5

6 Bränsleceller Hur funkar det? En bränslecell omvandlar kemisk energi till elektrisk energi utan förbränning. Bränslet kan vara ren vätgas eller olika former av kolväten 6

7 Bipolära plattor / interconnect Bipolär platta = Interconnect Bränslecellsstack Komplett bränslecellssystem 7

8 Några olika typer av bränsleceller Type of Fuel Cell Operating temperature Alkaline Fuel Cell (AFC) C Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) C Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) C C Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) C Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) C 8

9 Några olika typer av bränsleceller Type of Fuel Cell Operating temperature Alkaline Fuel Cell (AFC) C Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) C Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) C C Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) C Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) C 9

10 Generella krav för en bipolär platta Ha god elektrisk ledningsförmåga Bra korrosionsmotstånd ingen elektriskt isolerande oxid får bildas och plattan får inte släppa ifrån sig ämnen som kan förorena bränslecellen. Gastät, d v s inte släppa igenom bränsle eller luft. TEC Termisk expansionskoefficient (hög temperatur) Stål med beläggningar 10

11 Beläggningar för SOFC och PEMFC SOFC (hög temperatur) Kobolt förhindrar krom från stålet från att läcka ut och förorena bränslecellen. Cerium sänker oxidationshastigheten PEMFC (låg temperatur) Vidhäftningsskikt Kolbaserat skikt för låg kontaktresistans 11

12 Belagda stålband Fördelar med förbelagt stål Hög produktivitet Ingen hantering av enstaka plattor Färre processteg Förbättrad logistik Oberoende av plattdesign eller plattstorlekar 12

13 Scaling up! Förberedd för massproduktion Produktionslinje 800 mm breda band Hög kapacitet Multipla skikt i en körning Olika skikt anod sida respektive katod sida In-line tjockleksmätning Miljömässiga fördelar ren process, inga våtkemikalier eller lösningsmedel används A B C Steel 13

14 Forskningssamarbete Sandvik/Chalmers Sandvik (Sandvik Materials Technology) Stålutveckling Industriell Beläggningsanläggning Industriell provning/forskning Strategi för kommersialisering Marknadsföring Chalmers (Oorganisk miljökemi) Grundläggande materialforskning Avancerad materialanalys Beläggningar forskning Kontakt till forskarsfären Länk till bränslecellstillverkare 14

15 Forskningssamarbete Sandvik/Chalmers Sandvik Chalmers 15

16 Utveckling av interconnects för SOFC på Sandvik Gen II coatings on standard ferritic steel Sandvik Sanergy HT Gen II coating on SanHT Gen I coating on SanHT 1C44Mo20 0YC

17 Why ferritic steel for interconnets in SOFC? Similar thermal expansion as the ceramics used in SOFC Good electrical conductivity Designed to form conductive oxide scales Formability Cheap to produce However, there are some obstacles O 2 +H 2 O(g) CrO 2 (OH) 2 (g) FeCr FeCr Cr 2 O 3 poisoning the cathode! 17 (Cr,Fe) 2 O 3 protective Fe 2 O 3 + CrO 2 (OH) 2 (g) poorly protective

18 Possible ways to overcome the chromium evaporation from the interconnects 1) Change substrate composition: CrO 2 (OH) 2 (g) FeCr Mn FeCrMn (Cr,Mn) 3 O 4 Cr 2 O 3 Decreases the Cr evaporation, however, still too high! 2) Apply coatings: FeCrMn Co CrO 2 (OH) 2 (g) FeCrMn (Co,Mn) 3 O 4 Cr 2 O 3 The idea is to minimize the Cr evaporation by the presence of (Co,Mn) 3 O 4 18

19 Cr evaporation Results un-coated Sandvik Sanergy HT 0,0016 Cr evaporation (kg/m 2 ) 0,0012 0,0008 0, Time(h) uncoated 19

20 Cr evaporation Results un-coated and Co coated Sandvik Sanergy HT Cr evaporation (kg/m 2 ) 0,0016 0,0012 0,0008 0, Time(h) uncoated Co 20

21 Cr evaporation Results un-coated and Co coated Sandvik Sanergy HT 0,0016 0,0014 Cr evaporation (kg/m 2 ) 0,0012 0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 AO Co800nm AK uncoated Time(h) 21

22 Corrosion properties Mass 850 C in 20% O 2 and 3% H 2 O 2,50 Mas Gain [mg/cm 2 ] 2,00 1,50 1,00 0,50 Co uncoated Ce 22 0, Time [h]

23 Comparison 3000h ~8µm Cr 2 O 3 ~3µm Cr 2 O 3 Co Ce/Co 23 Ce slows down the growth of the Cr 2 O 3 layer

24 Co coating after 3000h exposure Co, Mn, Fe spinel Small amount of Cr in the spinel after 3000h No Mn left in the steel cation % Cr 2 O 3 (Co,Mn,Fe) 3 O 4 Co Mn Fe Cr Position (nm)

25 Var kan bränsleceller användas och när kommer bränsleceller att finnas på marknaden? 25

26 Combined Heat and Power (CHP) Ceramic Fuel Cells: BlueGen Ceres Power System 26

27 Shipping In the joint industry project, FellowSHIP, a 330 kw fuel cell was successfully installed, and demonstrated smooth operation for more than 7,000 hours on board the offshore supply vessel Viking Lady. Introducing fuel cells to ships benefits human health and the environment by avoiding local consequences of air pollution. It can even completely eliminate CO 2 emissions if hydrogen from renewables is used. 27

28 Transportsegmentet Proton Motor fork lift truck Ballard zero-emission bus 28

29 Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) 29

30 FCEVs at Hydrogen Filling Station 30

31 Olika lösningar för bilindustrin Utsläpp av CO 2 för olika alternativa drivlinor Låga utsläpp och långa körsträckor är mest önskvärt 31

32 Hydrogen Filling Stations

33 Summering Bränsleceller kommer att finnas som en energikälla i framtiden Grundläggande kompetens om olika komponenter är avgörande för att lyckas Lyckade samarbeten mellan akademi och industri är viktiga för bägge parter 33

34 34