Platinafria katalysatorer till bränsleceller

skrivet av Helena Berg

Vägen mot billigare bränslecellsfordon känns rakare eftersom framsteg med billigare katalysatorer gjorts. Både Chalmers och Ballard har utvecklat bra platinafria katalysatorer, men även alternativ med mindre mängd platina. Utmaningen är att balansera mellan katalytisk förmåga, kostnad och livslängd.

Ädelmetallfria bränsleceller inom kort?

Två knäckfrågor har länge varit det som bromsat utbredningen för bränslecellsfordon: infrastruktur och pris. Priset är till allra största del avhängt priset för katalysatorn som krävs: 40-45% av kostnaden för en bränslecellsstack är just katalysatorn [1].

De vanligaste katalysatormaterialen som idag används är platinabaserade och kan även innehålla palladium. Forskning har pågått länge för att hitta alternativa material med tillfredsställande prestanda. Nu har forskare vid Chalmers tagit ett stort steg på vägen. Dagens nyhetsbrev handlar om detta och vad andra forskargrupper lyckats med. Men först om platina, palladium och asiatiska fordon.

Platina och palladium idag

Platina är en sällsynt metall, ca. 30 gånger mer sällsynt än guld. De största producenterna finns i Sydafrika, Zimbabwe och Ryssland, som tillsammans står för 80% av den globala utvinningen. Exporten av platina och palladium utgör 10-15% av Sydafrikas totala exportintäkter [2].

Ungefär 40% av den totala konsumtionen av platina går till avgasrening av dieselfordon; en marknad på ungefär 36,5 ton per år. Andra förbrukare är smycken, elektronik och olika medicinska och industriella tillämningar. Palladium, som vanligtvis är en biprodukt vid platinabrytning, används idag huvudsakligen i katalysatorer till bensinbilar, vilket står för ungefär 80% av det årliga behovet, eller motsvarande ca 215 ton. [2]

Toyota, Honda och Hyundai har bränslecellsbilar i serieproduktion, Daimler på gång

Toyota lanserade sin första massproducerade bränslecellsbil Mirai (”framtid” på japanska) i Europa för två år sedan. Bränslecellen innehåller ca. 32 gram platina jämfört med 2-4 gram för motsvarande dieselbil [2]. Fram till juli i år har Toyota sålt 3710 Mira och kostar ca. 57 k€ [3].

I Japan och USA kan man sedan ifjol köpa Hondas bränslecellsbil – Clarity – med en egenutvecklad bränslecellstack på 100 kW. Räckvidden är 589 km, och är den längsta räckvidden, enligt EPA, för noll-emissionsfordon i USA [16]. I Kalifornien kan man leasa bilen för totalt lite drygt 16.000 USD under tre år. I priset ingår 32.000 km per år, upp till 15.000 USD för vätgas, 21 dagars hyra av ’fossilbil’, vägassistans dygnet runt och den eftertraktade “White Sticker” för att köra ensam i bussfiler etc. [16]. En av de första köparna av Honda FCV Clarity var Leonardo DiCaprio, via Leonardo DiCaprio Foundation [17].

Koreanska Hyundai har sedan 2013 bränslecellsbilen Tucson ix på marknaden. Den har bara sålt i 700 exemplar i 17 länder [3,4]. De har ungefär 500 ingenjörer som jobbar med bränslecellsutveckling, och genom att göra egna stackar och system menar man att kostnaderna för en bränslecellsbil kan sänkas med 30% [3]. I början av 2018, ett halvår tidigare än planerat, startar Hyundai produktionen av nästa bränslecellsbil med en stack på 120 kW och en räckvidd på 580 km [5]. Prislappen beräknas vara 54 k€, men endast ca. 30 k€ i Korea pga. kraftiga subventioner [6].

Daimler har satsat länge på bränslecellsfordon. Så sent som i april sa Daimlers VD Dieter Zetsche att det är batteri-elektriska fordon som gäller och att bränsleceller inte är en stor del av Daimlers framtidsplaner [18]. Men redan fem månader senare kommer Daimler med en bränslecellsbil med batterier som nu finns i förproduktion [19].

Chalmers m.fl. reducerar och eliminerar platinabehovet

Under många år har forskning pågått världen över för att finna material som innehåller mindre mängd platina och med tillfredsställande katalytisk förmåga.

På Chalmers har man tillsammans med kollegor på DTU i Köpenhamn funnit ett katalysatormaterial bestående av tunnfilmer av platina och yttrium som sputtrats på ett substrat. Den katalytiska aktiviteten är den högsta rapporterade någonsin – sju gånger högre än för dagens bränslecellskatalysatorer [7]. Platinainnehållet har reducerats med hela 70%. Med detta material hoppas man nu kunna ta steget till helt platinafria material.

Och så har skett vid Chalmers. Man har lyckats tillverka katalysatorer utan ädelmetaller för syrgasreduktionreaktionen med material som baseras på mesoporösa kol i kombination med övergångsmetaller och kolnanotuber [8]. Labceller visar både tillfredsställande katalytisk aktivitet och lång livslängd. Anders Palmqvist på Chalmers berättar att man nu kommer testa det nya materialet i en större stack (i kW-storlek) tillsammans med Powercell. Se gärna en kort film där både Anders och Per Ekdunge från Powercell pratar om vikten av det nya materialet [9].

Även forskare vid Aalto University i Helsingfors har funnit en katalysator där ca. en hundradel så mycket platina går åt jämfört med dagens katalysatorer. Nanokluster eller individuella atomer av platina på ytan av en struktur av kolnanotuber har använts och man hävdar samma katalytiska aktivitet som för dagens material. [10] Men det går även att öka den katalytiska förmågan med platina och palladium. Forskare vid bl.a. PSI i Schweiz har tillverkat en 3D-aerogel som består av en legering av platina och palladium. Den katalytiska aktiviteten är fem gånger högre för syrereduktionsprocessen. [11] Andra lösningar är t.ex. att använda rutenium ihop med grafén [12] eller nanopartiklar av guld på olika substrat [13].

Ballard är nära kommersiell lösning

Även kanadensiska Ballard, ett storföretag inom bränslecellsbranschen, har tillsammans med japanska Nisshinbo visat upp en katalysator som är fri från ädelmetaller. Om allt går vägen säger Ballard att en produkt på marknaden senare i år. [14]

Ballard har även en ny stor order från kinesiska Broad-Ocean på 18 MUSD för bränslecellssystem till bussar och lastbilar. Sedan augusti 2016 är Broad-Ocean den enskilt största aktieägaren i Ballard med 9,9% av aktierna. Tillsammans med tidigare ordrar rör det sig om totalt 600 system till ett totalt värde på 29 MUSD. Broad-Ocean planerar att bygga tre modulsammansättningsanläggningar i Kina, vilket skulle ge Ballard ytterligare 25 MUSD under en femårsperiod. [15]

Egna kommentarer

Mycket viktiga framsteg som gjorts av bl.a. Chalmers. Kostnaden torde gå att sänka rejält för en bränslecell helt fri från platina och palladium. Kolnanotuber, grafén eller mesoporöst kol verkar vara en viktig ingrediens för att lyckas.

Det har knorrats en del från platinaproducenterna om batterielbilar blir stort, och man då har förlitat sig på ett stort behov från bränsleceller. Ur ett europeiskt perspektiv skulle endast ca. 10% av dieselbilarna behöva bytas ut mot bränslecellbilar för att upprätthålla samma produktionskrav på platina som vi förnärvarande har. Men med forskningsframstegen kanske behovet av platina kommer minska kraftigt. Det återstår att se.

Dagens nyhetsbrev innehåller ett axplock av den forskning som sker. Om du har fler tips om fler genombrott inom bränslecellsområdet får du gärna tipsa oss på redaktionen.

Referenser

[1] Fuel Cell System Cost – 2016 länk

[2] The Rise Of Electric Vehicles: Is There A Future For Platinum?, 31/5 2017, länk

[3] Hyundai Motor Company Develops Its Own Major Technologies for Hydrogen Fuel Cell, Electric Vehicle, 11/7 2017, länk

[4] Hyundai to unveil new production hydrogen fuel cell vehicle in August, 12/7 2017, länk

[5] Hyundai reveals next-generation eco-friendly car, 17/8 2017, länk

[6] Hyundai Motor Company’s 2nd Generation FCEV Can Be Purchased for $33,600, 25/7 2017, länk

[7] High Specific and Mass Activity for the Oxygen Reduction Reaction for Thin Film Catalysts of Sputtered Pt3Y. länk

[8] One-pot synthesis of transition metal ion-chelating ordered mesoporous carbon/carbon nanotube composites for active and durable fuel cell catalysts länk

[9] From Basic Research To A Fossil Free Society länk

[10] Electrochemical Activation of Single-Walled Carbon Nanotubes with Pseudo-Atomic-Scale Platinum for the Hydrogen Evolution Reaction länk

[11] Bimetallic Aerogels: High-Performance Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction länk

[12] Single-Atomic Ruthenium Catalytic Sites on Nitrogen-Doped Graphene for Oxygen Reduction Reaction in Acidic Medium länk

[13] Atomic-layered Au clusters on α-MoC as catalysts for the low-temperature water-gas shift reaction länk

[14] Ballard, Nisshinbo collaborate to offer first PEM fuel cell using non-precious-metal catalyst, 13/9 2017 länk

[15] Ballard awarded $18M follow-on fuel cell deal with Broad-Ocean to support deployment of 400 buses and trucks in China, 6/6 2017 länk

[16] Southern California customers take delivery of new 2017 Honda Clarity Fuel Cell sedan länk

[17] First Honda Clarity Fuel Cell Cars Delivered, Next Up An All-Electric and PHEV Clarity länk

[18] Daimler Steps Back From Fuel-Cell Car Development, 2/4 2017 länk

[19] Mercedes-Benz combines electricity and hydrogen in EQ Power: GLC F-CELL goes into preproduction: world’s first electric vehicle with fuel-cell/battery powertrain, 12/9 2017, länk