Bränsleceller och material

Bränsleceller och material Rapport från arbetsseminarium 16 juni 2011 Elforsk rapport 11:46 Rakel Wreland Lindström Augusti 2011

Förord Denna rapport är framtagen inom projektet Teknikbevakning av bränslecellsområdet under 2010-2011 (Elforsk projektnummer 25043). Rapportens huvudsakliga slutsatser presenteras i en slutrapport för hela teknikbevakningsprojektet (Elforsk rapport 11:48). Projektet har till största delen finansierats av Energimyndigheten. E.ON Sverige, Volvo och Vätgas Sverige har bidragit med egeninsatser. Stockholm augusti 2011 Bertil Wahlund Programområde El- och värmeproduktion

Sammanfattning Som en del av Energimyndighetens/Elforsks teknikbevakningsprogram anordnades i juni 2011 en workshop om bränsleceller och material med syftet är att samla olika aktörer inom bränslecellsområdet från högskola/universitet och svenskt näringsliv. Workshopen hade fokus på materialfrågor både ur ett användar- och ett tillverkningsperspektiv. Målet var att få en bild av var forsknings- och utvecklingsbehoven finns och hur och i kring vilka frågeställningar industri och universitet kan öka sitt samarbete. I förlängningen syftade workshopen till att bygga upp ett kompetensnätverk inom bränslecellsområdet i Sverige. Workshopen samlade ca 40 personer där ungefär hälften utgjordes av företagsrepresentanter och hälften var forskare från universitet och högskola. I workshopen fick vi lyssna till två gästföreläsare, dels Per Balslev från Dantherm Power A/S som gav en inspirerande bild av marknadsläget för stationära bränsleceller i Danmark och dels Oliver Conradi från 3M Fuel Cell Lab i Tyskland, som gav inblick i den senaste utvecklingen av MEA (membrane electrode assembly) med fokus på membran. Huvuddelen av workshopen utgjordes av korta presentationer där deltagarna fick berätta om sin verksamhet inom bränslecellsområdet och sina frågeställningar och problem beträffande material. Workshopen avslutades med gruppdiskussioner kring motiv för svensk bränslecellsforskning, forsknings- och utvecklingsbehov vad gäller materialfrågor och hur bränslecellsaktiviteterna bättre kan samverka. Workshopen arrangerades av Tillämpad Elektrokemi, KTH med stöd av Vätgas Sverige.

Summary As part of the Energy Agency / Elforsk technology tracking program a workshop on fuel cells and materials was organized in June 2011 with the purpose is to bring together various active people in the fuel cell area from the Swedish universities and industry. The workshop focused on the material issues from both a user and a manufacturing perspective. The goal was to get a picture of the research and development needs and how and on what issues industry and universities can increase their cooperation. Ultimately, the workshop aimed to build up a competence network in the area of fuel cells in Sweden. The workshop gathered about 40 people, for which about half came from business or industry and half were researchers from universities. In the workshop we listened to two guest speakers; Per Balslev from Dantherm Power A / S, which gave an inspiring picture of the market for stationary fuel cells in Denmark and Oliver Conradi from 3M Fuel Cell Lab in Germany, which gave insight into the latest developments of MEA (membrane electrode assembly) with a focus on membrane. The major part of the workshop consisted of short presentations in which participants described their activities in the area of fuel cells and their issues and problems concerning materials. The workshop ended with group discussions about motives for fuel cell research in Sweden, specific issues for research and development concerning materials and how fuel cell activities better can coordinate in the future. The workshop was organized by the Applied Electrochemistry, Royal Institute of Technology with the support of the Vätgas Sweden.

Innehåll 1 Bakgrund 1 2 Syfte 2 3 Genomförande 3 3.1 Programmet... 3 4 Summering av presentationer 5 5 Gruppdiskussioner 8 5.1 Frågeställningar... 8 5.2 Resultat av gruppdiskussionerna... 8 5.2.1 Motiv till forskning... 8 5.2.2 Forskningsfrågor... 9 5.2.3 Samverkan i framtiden?... 9 6 Avslutning 10 7 Slutsats 11

1 Bakgrund Inom ramen för Elforsks bränslecellsprogram finns idag ett teknikbevakningsprogram som bekostar omvärldsbevakning av både den tekniska och vetenskapliga utvecklingen av olika bränslecellstekniker, samt kommersialiseringen av dessa. Projektet producerar årligen en sammanfattningsrapport och många delrapporter samt ett seminarium då rapporten presenteras. För att även få in de aktiviteter som bedrivs av svenska företag och framför allt komponenttillverkare och underleverantörer till svenska bränslecellsföretag, fanns det en önskan från organisationen att den gruppen skulle få bli representerad i ett särskilt seminarium med fokus på bränsleceller och material. Vid sidan av detta seminarium har även ett seminarium om kopplingen biobränsle och bränsleceller anordnats inom programmet. Sverige har idag forskning som kopplar till bränsleceller på ett flertal av landets universitet och på flera forskningsinstitut. Vi har fyra företag som utvecklar bränslecellsprodukter (MEAor, stackar och system) och flera andra företag utvecklar och levererar komponenter till bränsleceller. Aktiviteterna fokuserar i huvudsak på polymer- (PEFC) och fastoxidbränsleceller (SOFC). Dessutom har vi tjänsteföretag som säljer provning och analysredskap för modellering som riktar sig till bränslecellsutvecklare och användare. Vad som saknas i Sverige är användare av bränslecellssystem. Intresset från fordonsindustrin är lågt, men inte heller telekombranschen, produkttillverkare och kraftbolagen har visat ett stort intresse. En stor anledning kan vara att vi i huvudsak har förhållandevis billig el i Sverige distribuerat i ett väl fungerande nät samt att tilltron till batterilösningar är stor. Under större delen av förra decenniet löpte MISTRAs bränslecellsprogram som samlade aktiv industri och högskola inom bränsleceller (och till en början även batteri). Projektet fick så småningom huvudfokus på polymera bränsleceller. Efter att programmet avslutades 2009 har bränslecellsforskningen i Sverige blivit mer och mer diversifierad. Det finns främst spridda projekt inom PEFC som anknyter i någon mån till MISTRAs samt ett ökat antal projekt mot fastoxidbränsleceller. Samtidigt som våra bränslecellsföretag är närmare kommersiella produkter upplever forskarna att det är svårare att få finansiering till bränslecellsprojekt från myndigheterna. För att säkra finansieringen och förbättra den tekniska utvecklingen finns det en stark önskan från aktörerna både från akademi och från företag att samordna aktiviteterna under ett paraply och skapa ett kompetensnätverk eller centrum för bränslecellsforskning i Sverige. 1

2 Syfte Syftet med workshopen var att samla olika aktörer inom bränsleceller från högskola och svenskt näringsliv. Dagen hade fokus på materialfrågor både från ett användar- och ett tillverkningsperspektiv. Målet var att få en bild av var forsknings- och utvecklingsbehoven finns och hur och i kring vilka frågor industri och universitet kan öka sitt samarbete. I förlängningen syftade dagen till att identifiera möjliga aktörer i kommande etapper av Elforsks bränslecellsprogram samt skapa en grupp som kan utgöra grunden för ett kompetensnätverk inom bränsleceller i Sverige. Från Elforsks perspektiv anordnades workshopen även för att få in de aktiviteter som bedrivs av svenska företag och framför allt komponenttillverkare och underleverantörer till svenska bränslecellsföretag i deras bevakningsprogram. 2

3 Genomförande En inbjudan skickades ut via e-post till representanter från komponenttillverkare och bränslecellsföretag, bränslecellsforskare från högskola/universitet, institut och företag och representanter från berörda myndigheter och organisationer. Det ringdes också runt till vissa nyckelaktörer från industrin för att få med dem på workshopen. Två gästföreläsare bjöds in, dels från Dantherm Power i Danmark och dels från 3M:s utvecklingslaboratorium i Tyskland. En anmälningsavgift på 500 kr togs in för att täcka kostnader för mat och dryck då Elforsks bidrag på 50 000 gick till arbetet med planering och rapportering samt kostnader för inbjudna gäster. Workshopen hade 39 deltagare totalt och hölls i hörsal D2 och senare i salongen på KTHB. 3.1 Programmet 9:00 Kaffe och smörgås 9:30 Rakel Wreland Lindström, Välkommen 9:40 Per Balslev, Dantherm Power A/S - A fuel cell system integrater of backup power and microchp 10:20 Erik Wiberg, Vätgas Sverige Marknadsutveckling av bränsleceller 10:30 Christer Lindkvist, Ericsson - PEM-bränsleceller som backupkraft på telekomsiter 10:40 Andres Lundblad, MyFCs bränslecellsdrivna USB-laddare Powertrekk Paus 11:10 Andreas Bodén, Powercell Sweden - Design och komponenter för bränslecells-apu 11:20 Mikael Schuisky, Sandvik - Belagda rostfria stålband för bipolära plattor i PEMFC och SOFC 11:30 Eva Fontes, Intertek Global leverantör av bränslecellstjänster 11:40 Henrik Ekström, COMSOL Multiphysics En exportprodukt inom bränsleceller Lunch på Syster & Bror 13:00 Oliver Conradi, 3M - Membrane-Electrode-Assemblies for PEM Fuel Cells: Material Concepts, Design and Components Integration 3

13:40 Patric Jannasch, LTH Nya polymera elektrolyter till PEMFC 13:50 Göran Lindbergh, KTH Bränslecellsforskningen på tillämpad elektrokemi 14:00 Martin Andersson, LU Bränslecellsforskning med fokus på flerskalig modellering vid Inst. För Energivetenskaper 14:10 Wendy Fredriksson, UU - Materialtestning i bränslecell vid materialkemi 14:20 Jan-Erik Svensson, Chalmers - Materialforskning för bränsleceller vid Energy och Material 14:30 Lars Avellan, Swerea IVFs resurser inom materialteknik och keramer 14:40 Rakel Wreland Lindström, introduktion till diskussionerna Byte av lokal till Salongen i KTHB-huset och fika 15:00 Gruppdiskussioner 15:45 Redovisning/diskussion/Sammanfattning 16:30 Göran Lindbergh Kompetenscenter för bränsleceller i Sverige Uppvisning av SPIROS urban concept car, en bränslecellsdriven bil som byggts av KTHs studenter och tävlat i Shell Eco Marathon i Tyskland Besök på avdelningen Tillämpad Elektrokemi 4

4 Summering av presentationer Per Balslev från Dantherm Power inledde med att berätta om de många installationerna av stationära bränslecellssystem de gjort främst i Danmark men också i Canada och i andra delar av världen. Deras huvudsakloga tillämpning är backup-kraft och avbrottsfri el (UPS) med PEMFC-system men de säljer även lokala kontinuerliga el- och värmeverk till exempel i isolerade oexploaterade områden utan elnät där bränslecellssystemet kan fungera som kraftverk fram till det att ett nät är utbyggt. Lokala kombinerade värme- och elverk (micro-chp) kommer stort i Danmark där de kombineras med vindkraftverk och elektrolysör eller biogasanläggning för att med överskottsenergi kunna lagra vätgas och sedan använda kraften vid behov. I Danmark där importelen är mycket dyr spås systemet få en positiv inverkan på elpriset. Företaget ägs till hälften av Ballard och levererar system med deras bränslecellsstackar. De har 43 anställda och är idag vinstbärande. Vätgas Sverige är en intresseorganisation med ca 50 medlemmar. I sin omvärldsanalys av marknadsläget för bränslecellssystem fick vi veta att portabla PEMFC-system såldes i störst antal, men stationära MCFC stod för den största totaleffekten. I Europa står små DMFC för en betydande andel av de sålda enheterna. I allmänhet går trenden går mot större system. Generellt är efterfrågan på bränsleceller stor men den kommersiella tillgången är liten. Enligt en prognos för 2017 från Pike Research spås den totala omsättningen av bränslecellsystem uppgå till nära 30 miljarder USD där fordonssektorn står för mer än hälften. Sedan följde ett antal presentationer från svenska företag med aktiviteter inom bränsleceller. Först ut var Ericsson som testat ett anta system för backup-kraft för el och telestationer ute i världen. De konstaterade att även om det finns en liten marknad för backup system för områden med bra elnät som i Europa, USA och Japan (en marknad som fick ett uppsving med Katarina-katastrofen i USA) så är det framför allt de områden i världen som har dåligt nät eller inget nät som skulle vara mest förtjänt av ett fungerade bränslecellskraftverk. I dessa länder används idag dieselgeneratorer. Det största problemet med bränslecellssystem, som de såg det, var distributionen och kostnaden för vätgas i dessa länder. Om ett mer lättillgängligt, billigare och mer hanterbart bränsle fanns skulle den här branschen ha enorm potential. Därefter fick MyFC presentera sin färdiga produkt som kommer ut på marknaden i höst, en bränslecellsladdare PowerTrekk med en bytbar bränslekapsel där vätgas produceras genom hydrolys med vatten som måste tillsättas vid uppladdningen. I laddaren fanns också ett Li-jonbatteri. Den primära målgruppen är friluftsmänniskor. Powercell utvecklar ett hjälpkraftsystem (APU) till parkerade lastbilar och båtar baserat på ett system som kombinerar en dieselreformerer och en polymer bränslecell. De såg ett stort behov av bränslecellsforskning för deras 5

del främst riktat mot reformat-bränslecellen. Aktuella forskningsfrågor rör stackdesign, flödesdesign, föroreningar, bipolära plattor etc. Sandvik satsar stort på bränsleceller och var representerade med 5 personer på workshopen. Deras styrka är att ha stålproduktion, formning och beläggning under samma tak. Deras bipolära plattor har stor potential både för SOFC och för PEFC och de har redan samarbeten med flera bränslecellsföretag och forskningsgrupper. Det är inte bara tillverkningsföretag som har bränslecellsaktiviteter i Sverige. Det internationellt stora tjänsteföretaget Intertek, som oberoende testar och certifierar produkter och även konsulterar, har sin testning för bränsleceller och batterier i Sverige. Comsol, som också finns i många länder, levererar mjukvara för modellering och beräkningar för en rad tillämpningar, inte minst för elektrokemiska system som bränsleceller och batterier. Båda företag ser framförallt att utbildad kompetens inom området är viktigt för sin fortsatta verksamhet. Eftermiddagen inleddes av 3M som gav en inblick i deras MEA- (membrane electrode assembly) utveckling och produktion. 3M är ett stort internationellt företag med polymera filmer som specialitet. De producerar hela MEA:or inklusive packning till stacktillverkare. Deras membran är av PFSA-typ och innehåller oorganiska kompositer som gör dem mekaniskt starka och ger dem låg gaspermeabilitet. Bränslecellens prestanda kan avsevärt förbättras genom en optimerad struktur och sammansättning, som direkt påverkar jonledningsförmåga, styrka och vattenupptag hos den polymera membranelektrolyten. Elektroderna går att få både som klassiska porösa Pt/C och med deras nano-strukturerade tunnfilmsteknologi (NSFF), som har högre aktivitet och längre livslängd än Pt/C. Därefter fick forskningsgrupperna berätta om sin verksamhet. Först ut var Prof. Patric Jannarsch från LU som berättade om de icke-fluoriderade aromatiska polymermembran till PEFC de syntetiserar och undersöker för att förstå samband mellan struktur och egenskaper. Gruppen har pågående projekt på nationell, nordisk och EU-nivå. Prof. Göran Lindbergh fortsatte att berätta om den långa tradition inom bränsleceller KTH har haft med ett 20-tal utexaminerade doktorer och licentiater som nu till största delen var verksamma i de olika företagen. KTH:s styrka är att kombinera elektrokemiska mätningar med modellering. Man har verksamhet inom både MCFC och PEFC i projekt som rör nya MEA komponenter, optimering av porösa elektroder, degradering och föroreningar. Även på LU utför man beräkningar för både PEFC och SOFC system. Man använder sig av flerfasig och flerskalig modellering med hjälp av kommersiella program så väl som egen programvara för att studera transportfenomen. Doktoranden Martin Andersson berättade att gruppen växt mycket de senaste åren och var nu ca 10 personer. På materialkemi vid UU arbetar två doktorander både med modellering av membranelektrolyter och med karakterisering av bipolära plattor för PEFC och beläggningar av dem, berättade doktoranden Wendy Fredriksson. Gruppen har goda resurser vad gäller material- och ytkarakterisering. 6

På Oorganisk miljökemi på Chalmers, som förestår högtemperaturkorrosioncentret, finns sedan länge en väl etablerad verksamhet inom korrosion och de har de sista åren byggt upp en grupp kring bipolära plattor, främst mot SOFC men också mot PEFC berättade Prof. Jan- Erik Svensson. Gruppen har samarbete både med stålleverantörer och bränslecellsföretag. I gruppen finns också forskning om materialen i SOFC. Slutligen presenterade Lars Avellan Swerea-IVFs aktiviteter inom bränsleceller. Keramgruppen bedriver forskning på SOFC både på material och på tillverkningsprocesser. De har också verksamhet i elektrospinning, bipolära plattor av kompositmaterial, inkjet och plätering, formning av stål etc. De har goda möjligheter som oberoende institut att testa och göra analyser för tillverkningsprocesser och material för bränsleceller. Som deltagare i workshopen fanns också företrädare för andra företag och organisationer aktiva inom bränsleceller som Cellkraft, GETT Fuel Cells och ETC som valt att inte presentera. Det finns också mer bränslecellsverksamhet på högskolorna som inte var representerat eftersom de inte hade möjlighet att komma på workshopen, tex på Chalmers som också har forskning inom katalys (Anders Palmqvist) så väl som elektrolyter (Per Jacobsson). 7

5 Gruppdiskussioner Deltagarna delades in i 6 grupper med ca 6 personer vardera och fick i uppdrag att diskutera nedan frågor. Resultaten av diskussionerna i grupperna redovisades sedan för hela gruppen. 5.1 Frågeställningar 1. Motiv för bränslecellsforskning i Sverige: Hur kan forskning inom bränsleceller motiveras ur ett svenskt perspektiv? Vilken användning av bränsleceller ser vi i Sverige idag och på sikt? Vilka kommersiella möjligheter finns för svenska aktörer inom bränslecellsområdet idag och på sikt? Vilka styrkeområden har vi i Sverige? Hur stort är det framtida behovet av nyutbildade personer med bränslecellskompetens? 2. Vilka forskningsområden bör vi arbeta med i Sverige: Vilka frågeställningar är mest intressanta för tillverkare och användare i industri och samhälle, globalt och ur ett svenskt perspektiv? Vilka specifika forskningsfrågor är mest relevanta för svensk industri, högskola och samhälle? Vilka styrkeområden har vi i Sverige idag? Vilka styrkeområden bör vi försöka bygga upp? 3. Hur går vi vidare? Vilka former för samverkan är intressanta? Hur stort är intresset för att medverka? Hur ska vi klara av finansieringen? 5.2 Resultat av gruppdiskussionerna 5.2.1 Motiv till forskning Sverige har stora företag som är inriktade på en världsmarknad. Sverige är en del av världen. Att hänga med i bränslecellsutvecklingen är viktigt för svensk exportindustri även om vi i Sverige har bra elnät och vattenkraft. Just nu står vi inför en ramp-up period då bränslecellsteknikerna går från demoprojekt till kommersiella produkter och får en större och större utbredning. Då är det viktigt att vi har beredskap även i Sverige och framför allt har kompetens i området. Där spelar universitetsforskningen en nyckelroll i att utbilda doktorer och masterstudenter, men för att behålla kompetens behövs kontinuitet. 8

Sverige har styrkeområden inom fordon, telekom, stål, kraft, testning, polartest, automatiserad produktion, modellering så väl som stark forskning inom inte minst bränslecells-apu och korrosion. Inom dessa fält kan vi vara konkurrenskraftiga vad gäller bränslecellsforskning och -utveckling i världen. Bränslecellstekniken är trovärdig och har stor potential, främst genom sin höga verkningsgrad, och vi skall ha realistiska förväntningar på den. 5.2.2 Forskningsfrågor Intressanta frågor för svensk industri är både frågor som rör stackdesign vad gäller bipolära plattor med kopplingar till elektrokemi-stål, korrosion, beläggningar, keramiska ytskikt, tekniker men också katalystorer och membran. Kopplingen till bilindustrin, bränslen, biobränslen/gas och inverkan av föroreningar är viktigt inte minst för reformat-bränslecellen. Ett annat område är testning, stacktester och accelererad testning som kopplar till livslängd och nedbrytningsprocesser. Även bränslefrågan, distribution och lagring är viktig inte minst för en exportmarknad i utvecklingsländer. 5.2.3 Samverkan i framtiden? Deltagarna var eniga i att större framgång skulle nås av mer samarbete i gemensamma projekt med en stark koppling till industrin. En centrumbildning var önskvärt istället för konkurrerande program som kunde samla alla fragmenterade projekt. För att kunna arbeta konkret kunde ett gemensamt hårdvaroprojekt t.ex. en gemensam stack, vara ett mål. Även nya konkreta demoprojekt skulle vara önskvärt. Som grupp har vi också en större möjlighet att öka intresset för bränsleceller hos fordonsindustrin, myndigheter och allmänheten. 9

6 Avslutning Som avslutning berättade Göran Lindbergh om Elforsks planer att fortsätta att stödja workshop och sammankomster. Han talade också om KTH:s och Chalmers initiativ att inom respektive energiplattformar göra en satsning på bränslecellsforskning. Ett första steg i denna satsning är en gemensam kartläggning av pågående aktiviteter inom området i Sverige. Även den strategiska satsningen StandUp for Energy med UU, SLU och KTH har aktiviteter inom bränsleceller. Kommande aktiviteter i Sverige annonserades: Biogas/biobränsle workshop i Lund 21 juni, Elforsks bränslecellsdag, Stockholm, 8 September Nordisk bränslecellskonferens, Malmö, 25-26 Oktober De som inte hade ett tåg eller ett flyg att rusa till fick tillfälle att se SPIROS, kandidat-examensarbetarnas bränslecellsdrivna fordon, som de kom 5:a med i Shell Eco Maraton i Tyskland maj 2011, och Tillämpad Elektrokemis nya lokaler på KTH. 10

7 Slutsats Sammantaget upplevdes workshopen mycket positivt från deltagarna. De som ville fick komma till tals och det samlade intrycket var att visst finns det aktivitet! Vi har både företag, kompetens och forskning i vårt land. Om vi kan nå en samverkan och får finansiellt stöd kan vi nog kunna göra ännu bättre! För att säkra finansieringen och förbättra den tekniska utvecklingen finns det en stark önskan från aktörerna både från akademi och från företag att samordna aktiviteterna under ett paraply och skapa ett kompetensnätverk eller centrum för bränslecellsforskning i Sverige. Arbetet har alltså påbörjats för att finna en form för nätverket. 11