Den Danske Brint- og Brændselscelledag E-STORE

Transkript

1 Den Danske Brint- og Brændselscelledag E-STORE 1

2 Kategorier, partnere og nøgletal Projektet er støttet af Innovationsfonden i perioden 1. februar 2015 til 31. januar 2019 Projektpartnere: Aalborg Universitet (Projektleder, celle- og systemkarakterisering og modellering) Danmarks Tekniske Universitet (Cellekarakterisering og nye materialer) EWII Fuel Cells - former IRD (Celle- og stakudvikling) AVL List, Austria (Fejlanalyse og diagnosticering af system) Paul Scherrer Institute, Schweiz (Electrokemisk karakterisering) University of St. Andrews, UK (Materialeudvikling) Günther G. Scherer (Advisory panel) Samlet budget DKK 26.4 mio og et tilskud fra Innovationsfonden på DKK mio. Forskeruddannelse: 4 PhD projekter og 3 postdocs 2

3 Projektbeskrivelse/formål/målsætninger Fremtidens Smart Energy System baseret på 100% vedvarende energi vil kræve en tæt integration af el, gas og varmesystemerne. Kun ca. 25% af energiforbruget er el, resten er varme og transportbrændstof Elektrolyse udgør en nøgleteknologi i denne sammenhæng både til balancering af energisystemet og til sikring af grønne brændstoffer til transportsektoren Målsætningen med e-store er at videreudvikle den danske PEM elektrolyseteknologi med fokus på at øge strømtætheden til 5 A/cm2 og dermed opnå kostreduktion gennem: Udvikling af nye materialer med lavere pris og længere levetid Modellering og karakterisering af celler og stakke (flow- og temperaturfordeling) Forbedrede MEA- og stakfremstillingsmetoder Diagnosticeringsteknikker til overvågning af stak og system 3

4 Materialer og stakkomponenter Der er opbygget testfaciliteter til karakterisering af enkeltceller og gennemført en række avancerede elektrokemiske test. Der er lavet elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) i alle driftspunkter markeret med dots på figuren. The electrolysis does not really take off until above 1.45 V even though 1.23 V is the lower thermodynamic limit Membrane: Nafion 117 Active area: 2.9 cm 2 Cathode: 0.5 mg/cm 2 Pt, C-felt Kilde: K. Elsoee, L. Grahl-Madsen, G. G. Scherer, J. Hjelm, and M. B. Mogensen Electrochemical Characterization of PEMECs Operating at Various Current Densities, ECS Fall Meeting, Honolulu 2016 Anode: 0.3 mg/cm 2 IrO x and 2.7 mg/cm 2 Ir-metal, Ti-felt 4

5 Materialer og stakkomponenter Baseret på de elektrokemiske test er de forskellige bidrag til impedansspektret identificeret. Fra 1,4-2.0 V er de ohmske tab dominerende og begrænsende for cellens ydelse. Der er indikationer på at de fordeler sig med ca. 0.1 cm2 fra interfaces og ca cm2 fra Nafion elektrolytten. Det er væsentligt mere end den forventede arealspecifikke modstand på ca cm2 (0.15 S cm-1, 180 µm Nafion membran). Det vil sige kun omkring halvdelen af elektrolyttens overflade anvendes. Dette er sandsynligvis pga. dårlig kontakt mellem IrO2 katalysten og den porøseti-filt. Der udføres yderligere analyser af disse fænomener vha. elektronmikroskop 5

6 Materialer og stakkomponenter Supportmaterialer til katalysatoren i oxygenelektroden og coating af porøse transportlag. Nye materialer undersøgt i første screening (faserenhed og korrosionsbestandighed) samt god elektronledningsevne: Spinels NiCr2O4, NiCrFeO4, ZnCr2O4, MgCr2O4 Bi doped SnO2 SrTiO3 substituted with with Fe or Ni Strontium substituted Lanthanum Chromites Doped TiO2 Udvalgt til nærmere undersøgelse Spinels doped with Co LaCrO3 substituted with MgO Doped TiO2 Der arbejdes med en testcelle med reference og Ph-elektrode til karakterisering af det miljøet i en elektrolysecelle. 6

7 Detaljeret mekanistisk modellering Øget strømtæthed vil medføre mere gas skal transporteres ud af cellen og øget varmeudvikling vil kræve ekstra køling af cellen CFD og eksperimentelle studier gennemføres af elektrolyseceller. Gasfordelingen ved en støkiometrisk faktor på 350 og forskellige strømtætheder Interdigitated kanaldesign ser ud til måske at medføre ophobning af gas i kanalerne 7

8 Detaljeret mekanistisk modellering Temperaturudviklingen ved en støkometrisk faktor på 350 og forskellige strømtætheder 8

9 Detaljeret mekanistisk modellering Der udvikles transparente testceller til analyse af strømningsforhold med og uden elektrokemiske reaktioner. Der er publiceret analyser af celleydelse ved forskellige to-fase flowregimer, men konklusionerne er ikke entydige. 9

10 Udvikling og karakterisering af elektrolysestak Status på levetidsundersøgelser på CELLENIVEAU Udfordrende at overføre dette til stak- og systemniveau 10

11 Udvikling og karakterisering af elektrolysestak WP3.1: Celle- and stakudvikling WP3.2: Levetidsundersøgelse under realistisk load profil Raw materials Inks Coating & Lamination Final MEA 11

12 Cumulative volume [%] Cumulative volume [%] Celle- og stakudvikling EWII har udviklet og indført en ny anode katalysator som har muliggjort spray coating direkte på membranen og der med en mindre tidskrævende fremstillingsproces. Beginning-of-Life performance er god, langtidsstabilitet undersøges. 100% Anode inks 100% Cathode inks 75% 75% 50% 50% 25% 25% Ink0014 Ink0002 Ink0019 0% , Size [µm] 0% , Size [µm] 12

13 Pålidelighed og levetidsanalyse Fejlanalyse på systemniveau 13

14 Pålidelighed og levetidsanalyse Fejlanalyse på systemniveau 14

15 Stak og system diagnosticering Karakterisering af stak fejltilstande og udvikling af AVL THDA diagnosticeringsteknik 15

16 Konklusioner og perspektivering Projektet adresserer problemstillinger der er i tråd med internationale indsatser Der er gennemført omfattende karakterisering af enkeltceller og opbygget grundlag for tolkning af de enkelte bidrag til EIS spektret. Et stor antal materialer er analyseret mhp. anvendelse i elektrolyseceller og de mest lovende udvælges nu til nærmere undersøgelse Der er udviklet og gennemført simuleringer med en avanceret CFD model til analyse og optimering af celle- og stakdesign. Mulig gasophobning ved interdigitated kanaldesign Stigende temperaturgradienter ved øget strømtæthed Der er udviklet en ny anode ink, der muliggør spray coating og der med prisreduktion Indledende fejlanalyser er gennemført med henblik på forbedring af systemlevetid. 16

17 U Cell [V] Udvikling og karakterisering af elektrolysestak Høj strømtæthed er muligt med lavere arealspecifik modstand Tyndere membrane -> gas cross-over og holdbarhed -> turn-down ratio Reducerede kontaktmodstande -> nye materialer 2.25 MEA S/N ALMG tested in cell 2; ELZE003 (AAUO) 2.00 Anode Ir-oxide:: 0.31 mg/cm2 Supported by coarse Ir-metal: 2.72 mg/cm2 Cathode Pt/C: 0.5 mg/cm2 Membrane: Naf 117 Total operational hours: 5398 Hours at 1 A/cm2: 4574 Number of start/stops: 89 y = x R² = y = x R² = y = x x R² = Operational 1 A/cm2: 126 Operational 1 A/cm2: Operational 1 A/cm2: 1295 Operational 1 A/cm2: 1519 Operational 1 A/cm2: 1823 Operational 1 A/cm2: 2536 Operational 1 A/cm2: I [A/cm 2 ] 17