Brændselsceller og elektrolyseceller - effektiv energikonvertering

Brændselsceller og elektrolyseceller - effektiv energikonvertering 26. Oktober 2012 Anne Hauch hauc@dtu.dk

Introduktion hvem er jeg og hvad laver jeg? Kemiker med sidefag i fysik (AU) Gymnasielærer stakkels elever!..startede som ph.d.-stud. i 2004 i Afd. for Materialeforskning (brændselscellegruppen) Seniorforsker på DTU Energikonvertering elektrokemisk + miskrostruktur karakterisering af brændsels- og elektrolyseceller + en glad underviser af 4. års ingeniørstuderende 2 15-11-2012

Introduktion hvem er vi og hvad laver vi? DTU Energikonvertering Teknologier Keramiske brændselsceller Polymer-brændselsceller Elektrolyse Polymer-solceller Batterier Syntetiske brændsler Membraner til ilt- eller brintfremstilling Magnetisk køling Termoelektriske komponenter Elektrokemisk rensning af røggasser Superledende komponenter DTU Energikonvertering ansatte: VIP er: TAP er: Fysikere, kemikere, matematikere, geologer m.fl. Laboranter, teknikere (flymekaniker, elektriker, maskinarbejder, kleinsmed, maskinmester, datamatiker m.fl.) 3 15-11-2012

Fastoxid brændselsceller og elektrolyseceller 1. Brændselscellernes historie 2. Brændselscellernes virkemåde 3. Forskellige brændselsceller deres fordele og ulemper 4. SOFC Solid Oxide Fuel Cells (Fastoxid brændselsceller) 5. SOFC Elektrode reaktioner 6. SOFC Processering/produktion og materialer 7. SOFC Microstrukturer 8. SOFC Test/karakterisering 9. SOFC - Life time issues! 10.Lagring af energi hvorfor og hvordan 11.SOEC Højtemperatur elektrolyse 12.SOEC Hvor er SOEC forskningen nu! Lad mig starte et HELT andet sted 11/15/2012 4

Energikonvertering Er der nok vedvarende energi til vores behov/forbrug? Kort svar = ja..( potentially available ) Årlig global influx fra solen: Årlig energiforbrug: ca. 3-4 10 24 J ca. 5 10 20 J Jordens overflade modtager ca. 6 8.000 gange vores forbrug Regner vi alene på energi fra solen: 0.2 % af jordens areal (ca. 1 mill. km 2 eller 15 % af Australien) Ca. 10% opsamlings-effektivitet Tilstrækkelig energiforsyning A. Evans et al., in: Proc. Photovoltaics 2010, H. Tanaka, K. Yamashita, Eds., p. 109.; Earth's energy budget, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/earth's_energy_budget; International Energy Outlook 2010, DOE/EIA-0484(2010), U.S. Energy Information Administration, http://www.eia.gov/oiaf/ieo/index.html 11/15/2012 5

Fastoxid brændselsceller og elektrolyseceller 1. Brændselscellernes historie 2. Brændselscellernes virkemåde 3. Forskellige brændselsceller deres fordele og ulemper 4. SOFC Solid Oxide Fuel Cells (Fastoxid brændselsceller) 5. SOFC Elektrode reaktioner 6. SOFC Processering/produktion og materialer 7. SOFC Microstrukturer 8. SOFC Test/karakterisering 9. SOFC - Life time issues! 10.Lagring af energi hvorfor og hvordan 11.SOEC Højtemperatur elektrolyse 12.SOEC Hvor er SOEC forskningen nu! Kemi Fysik Matematik 11/15/2012 6

Brændselscellernes historie 1839, William Grove (ilt og brint på platin elektrode. Svovlsyre som elektrolyt) 1895, W.W. Jaques Battery of 100 celler, gav 1,5 kw. Smeltet KOH ved 450 o C. Jern katode og carbon anode 1899, Nernst opdager fastoxid elektrolytten 1933, F.T. Bacon. Alkalinske celler. KOH opløst ved 200 o C, luft og ilt på porøst nikkel 1959, 5 kw alkalinsk demonstration-system 1960 erne NASA anvender brændselsceller 11/15/2012 7

Brændelsescellers virkemåde hvad er en brændelscelle? En brændselscelle er en multi-lags enhed, der elektrokemisk kan omsætte kemisk energi i et brændsel direkte til elektrisk energi (ligesom i et batteri). Traditionelt kraftværk Brændsel (kemisk energi) Termisk energi Mekanisk energi Elektricitet (elektrisk energi) Forbrænding Turbine Generator Brændselscelleanlæg Brændsel (kemisk energi) Elektricitet (elektrisk energi) Brændselscelle 11/15/2012 8 Fysik

Mini ABC for brændselsceller Konverterer kemisk bundet energi direkte til elektrisk energi Høj effektivitet (fuel-to-electricity) Lav udledning af fx NO x & CO 2 Lav/ingen støj Modular system fx 0.01 W to 1.000.000 W Fleksibilitet mht. brændselstyper Matematik Delvis belastning fortsat med høj elektrisk effektivitet Hurtige belastningsændringer Anvendes til opbevaring af energi ved anvendelse som elektrolyseceller 11/15/2012 9

Forskellige brændselsceller virkemåde PEMFC Polymer Exchange Membrane FC SOFC Solid Oxide FC Kemi Lav temp. cell 80-120 C Pt katalysator i elektroder Høj temp. cell cell 600-900 C Keramiske materialer, Ni kat. i anode SOFC 11/15/2012 10

Forskellige typer af brændselsceller - overview Klassifikation ud fra type af elektrolyt. 5 forskellige typer brændselsceller. Øges ved kombination med turbiner (CHP). Ladn. ion : OH - H + H + CO 3 2- O 2-11/15/2012 11

PEMFC > < SOFC PEMFC: Længst fremme/på markedet i dag, velegnet til transport/små skala anvendelser (lav temperatur), hurtig opstartstid. Kræver høj-rent brint (fordyrende), begrænset mængde af Pt. SOFC: Opnåelse af høje el-virkningsgrader (70%, i cyklus), høj temperatur dvs. bedst til stationære formål. Kan udover brint anvende brændsler som naturgas og forgasset biomasse (renheds-issues). 11/15/2012 12

Fastoxid brændselsceller og elektrolyseceller 1. Brændselscellernes historie 2. Brændselscellernes virkemåde 3. Forskellige brændselsceller deres fordele og ulemper 4. SOFC Solid Oxide Fuel Cells (Fastoxid brændselsceller) 5. SOFC Elektrode reaktioner 6. SOFC Fremstilling og materialer 7. SOFC Microstrukturer 8. SOFC Test/karakterisering 9. SOFC - Life time issues! 10.Lagring af energi hvorfor og hvordan 11.SOEC Højtemperatur elektrolyse 12.SOEC Hvor er SOEC forskningen nu! 11/15/2012 13

Typiske materialer til SOFC Kemi Anode: Ni/Yttria-stabiliseret ZrO 2 (YSZ) Ni er elektronisk ledende, billigt og stabil i brint Ni er elektrokatalytisk for anodereaktionen YSZ skal stabilisere strukturen anoden skal være porøs Elektrolyt: YSZ er ilt-ionledende, tæt, stærk stabil både i reducerende og oxiderende atm. Katode: strontium-dopet lantanmanganit (LSM), elektronisk ledende stabil i ilt katalytisk aktiv for katoderektionen katoden skal være porøs eller blandet leder LSCF eller LSC katode 15/11/2012 14

Fremstilling af SOFC cellerne Anode-support tape-castes (tykt lag, mekanisk styrke til cellen). Den elektrokemiske aktive anode sprøjtes på supporten. Elektrolytten sprøjtes på. Aktiv anode og elektrolyt kan også tape castes på Halv-cellen brændes i en ovn. Katoden sprøjtes eller printes på den brændte halvcelle. Hele cellen brændes igen. Kemi Fysik Tape-casting Pre-pilot Ovn Sprøjning 15/11/2012 15

Celledesign og mikrostrukturer Eksempel: Anode supported Ni/YSZ-YSZ-LSM/YSZ based cell 5x5 cm 2 celle til enkelt celletest Fysik Matematik 11/15/2012 16

Celledesign og mikrostrukturer Tværsnit af celle optage på scanning elektron mikroskop (SEM) Ni/YSZ support Ni/YSZ electrode YSZ electrolyte LSM-YSZ electrode Fysik Matematik Kemi 11/15/2012 17

SOFC/SOEC - mikrostrukurer Key parameter: Aktive sites Tre-fase-grænser Kemi 11/15/2012 18

Test og karakterisering af SOFC Enkelt celle stak Set i et lidt større perspektiv O 2 Fast Elektrolyt 2.5 kwe/liter i stak med DTU producerede SOFC er O -- - - + 1 Volt Matematik H 2 HO 2 11/15/2012 20

Test og karakterisering af SOFC 2 nøgle-parametre: start performance & levetid Karakterisering via iv-kurver (impedans spektroskopi) Levetidstest Stak data fra FZ Jülich 1000 Cell Voltage (mv) 900 800 700 600 iv before FC test iv after FC test 0 0.5 1 1.5 2 Current density (A/cm 2 ) Kemi Fysik Matematik 11/15/2012 21

Lagring af energi hvorfor og hvordan? El produktion Matematik EL produktion over middel EL prod. under middel Vores middelforbrug Forbrug under middel Forbrug over middel Tidslinie Midnat Kl. 5 Kl. 9 Kl. 21 11/15/2012 23

Lagring af energi hvorfor og hvordan? Vedvarende energikilder giver ikke elektricitet så det netop passer til forbrugernes behov hele tiden. Optimeret udnyttelse af elektricitet fra kernekraftværker og vindmøller. H 2 og carbonhydrater (metan, metanol, DME) fungerer som energi opbevaringsmulighed Opbevaring af energi er nødvendigt - kan så anvendes ved senere spidsbelastninger kan gøres på flere forskellige måde fx elektrolyseceller, via opladning af elbiler etc. 11/15/2012 24

Real-life eksempel. Normal situation Blæsevejr/storm 11/15/2012 25

Elektrolyse celler Solid Oxide Electrolysis cells (SOEC) Vanddamps elektrolyse Oxygen electrode 2O 2- O 2 + 4e - Fuel electrode 2H 2 O + 4e - 2H 2 + 2O 2- O 2 2O 2-2CO 2 + 4e - 2CO + 2O 2-2H 2 O 2H 2 2CO 2 2CO + 4 e - H 2 O H 2 + ½O 2 Carbon dioxid elektrolyse CH 4 Catalysis CH 3 OH CO 2 CO + ½O 2 Co-elektrolyse af carbon dioxid og vanddamp CO 2 + H 2 O CO + H 2 + O 2 Kemi SOEC in operation nu Fremtidsperspektiver 11/15/2012 26

Vision for elektrolyseceller i kommende smart grid - og hvor er SOEC forskningen nu? Matematik Critical issues: 1. Levetid ved højt strømtræk CO 2 in the atmosphere H 2 O into the atmosphere 2. Følsomhed for urenheder i inlet gasser Mg(OH) 2 + CO 2 (from air) 3. Skal brændselscellen MgCO 3 + H 2 og elektrolysecellen O være én og samme? (reversibilitet) Transportation fuel Consumption MgO + H 2 O Mg(OH) 2 + Heat Catalytic conversion Fuel transport CO + H 2 MgCO 3 + Heat MgO + CO 2 Electrolysis cell 2H 2 O 2H 2 + O 2 2CO 2 2CO + O 2 2O 2- + 4 e - Renewable electricity Concentrated CO 2 H 2 O 11/15/2012 27

Summary 1. Brændselscelle: Effektiv direkte omsætning af kemisk energi til elektrisk energi 2. Forskellige brændselscelletyper med forskellige fordele og ulemper fx lav-temp. polymerceller (PEMFC) og højtemperatur fastoxid brændselsceller (SOFC) 3. Key issues: Celler med lav modstand, som er langtidsholdbare! 4. Fastoxid brændselsceller (SOFC) er reversible. Anvendes som elektrolyseceller (SOEC) til produktion af H 2 eller andre syntetiske brændsler. 11/15/2012 28

Tak for i dag Spørgsmål er velkomne også per mail: hauc@dtu.dk... Kemi Fysik Materialer & deres egenskaber Brændselsceller Elektrolyseceller Matematik... turer Ydeevne & langtidsholdbarhed Processering & mikrostruk-... 29 15-11-2012