Polymera bränsleceller (PEFC) teknikläget och framåtblick Göran Lindbergh, Rakel Wreland Lindström, Lars Hildebrandt KTH Skolan för kemivetenskap Tillämpad elektrokemi Bränslecellsseminarium 2010 Stockholm, 11 februari 2010 1
Agenda Introduktion Så fungerar en PEFC Teknik - utveckling från föregående år Föroreningar Erfarenheter från det japanska programmet Slutsatser 2
Polymerelektrolytbränslecellen (PEMFC) Anod e e e e Katod H 2 O 2 / Luft HOR: H 2 2 H + + 2 e - ORR: 1/2 O 2 + 2 e - + 2H + H 2 O Värme H 2 O BPP- bipolär platta, GDL - gasdiffusionsskikt, Porös elektrod (Pt/C), Protonledande membran (Nafion) 3
Bränslecellens kärna 1 µm Nafion Membranelektrolyt 20 nm Porös Elektrod Gasdiffusion Lager Pt nanopartiklar (~ 3nm ø) på kimrök 4
Komponentutveckling - katalysatorer Mål: att öka katalysatorns massaktivitet och livslängd Platina dyr och känsligt mot föroreningar Mycket små partiklar <3 nm instabila - Upplösning leder till större partiklar (agglomerat) - Pt(s) och/eller Pt-joner vandrar från katoden till anoden Utveckling: - Pt legeringar (Co, Ni, Ir, Ru) - Partiklar med skal (Pt på Ni) - Ädelmetallfria (Fe/N/C) - Nya bärarmaterial (kolnanotuber, oxider) QuickTime and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Alayoglu S, Nilekar AU, Mavrikakis M, et al., Nature Materials 7, 333-338 (2008) 5
Bränsle- och luftkvalitet Vätgaskvaliteten en kärnfråga inför kommersialisering Arbetet påbörjat med att skapa standarder för vätgaskvalitet, främst USA (DOE) och Japan (JARI) För PEFC vill man använda ISO grad D: 99,99 % vätgas koloxid under 200 ppb svavelhaltiga gaser under 4 ppb ammoniak under 100 ppb Svårt (och dyrt) att framställa så ren gas Analysmetoderna dåligt utvecklade för vätgas, och gränsvärdena ligger i vissa fall under detektionsgränsen Luft för katoden, känslig för: - svavelföreningar från förbränning, tillsatser till stadsgas och vulkaner - kväveoxider från förbränning - ammoniak i jordbruksmiljöer - kloridinnehållande aerosoler i marin miljö - kolväten 6
Marknad små stationära system, mindre än 10 kw el Två tillämpningar dominerar: kraftvärme och reservkraft 95% av antalet system PEFC (2008) 4000 system installerade (2008) (jfr ca 2000 under 2007) System för naturgas (och andra kolvätebaserade bränslen) ökar, som en följd av reformerutveckling Japan och Nordamerika står för huvuddelen av tillverkning Omkring 20 företag tillverkar bränslecellsstackar Största kommersialiseringsprogrammet pågår i Japan 7
The Large-scale Stationary Fuel Cell Demonstration Project 8
Deltagande företag 9
Behov och tillförsel av el och värme 27.0 10.9 26.7 10.9 9.8 21.7 8.8 18.9 7.7 17.5 23.7 23.9 23.3 20.7 19.8 17.5 17.4 Elec. ìd óõé óvó demand Elec. ìd óõãüããó supplied 6.7 5.2 6.5 5.2 4.2 9.7 8.2 49.5 74.7 76.0 50.2 46.8 67.5 60.2 43.7 49.7 34.0 38.4 Heat demand Heat supplied 42.5 26.2 îmé óvó ìí ãüããó 66.4 54.6 46.4 41.6 31.9 39.7 31.0 32.1 25.7 25.5 20.9 Jan Feb Mar Apr May June July Aug Sept Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May June July Aug Sept Oct Nov Dec 10
Drifttimmar och antal system 11
Förändring av elverkningsgrad 12
Felfrekvens, oplanerade stopp 13
Orsaker till oplanerade stopp 14
Utveckling av systemkostnad och subventioner 15
ENE-FARM product information Power Generation Output: 700 to 250W Heat Output: 900 to 250W Efficiency (HHV): Overall efficiency: Greater than 72% Electricity generation efficiency: Greater than 31.5% (at 700W) Overall efficiency: Greater than 54% Electricity generation efficiency: Greater than 27% (at 250W) Regular inspection period: Every 2 years Sales Start Date: Toshiba Fuel Cell Power Systems Co. June 1, 2009 Eneos Celltech Co., Scheduled for sale in 2010 Price (main unit + remote control): 3,255,000 (including tax) Subsidy: Half of the installation expense. (Upper limit: 1.4M JPY) Budget: 6.07 billion JPY for FY2009 (Project Period: 2009 ~ 2013) 16
Slutsatser Lite i det tysta sker en kommersialisering av små stationära PEFC-system, för kraftvärme och reservkraft. Ökad massaktivitet (under 0,2 g Pt /kw) och livslängd (över 10 000 h) demonstreras på cellnivå. Forskningsgenombrott för icke ädelmetallbaserade katalysatorer. Kolväten allt vanligare som bränsle för PEFCsystem. Fokus på föroreningar i bränsle och luft. Pågår ett standardiseringsarbete för vätgas (som fordonsbränsle). Det japanska programmet har lyckats med att öka verkningsgrad och tillförlitlighet samtidigt som systemkostnaden har reducerats. 17