Fifteenth International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells

skrivet av Hannes Falk Windisch (Chalmers) och Martin Andersson (Lunds Universitet)
Denna konferensserie organiseras vartannat år och cirkulerar mellan Japan, USA/Canada och Europa. Notera att fokus här på SOFC; dvs högtemperaturbränsleceller. Det var ca 400 manuskript och uppskattningsvis ca 500 deltagare på årets konferens.
Svenska deltagare (samtliga med egna presentationer) på årets konferens var från Sandvik, Chalmers och Lunds Universitet. Vidare var ett manuskript en sampublikation mellan Högskolan Väst och University of Toronto.
Sammanfattning
Kommersialiseringen av högtemperaturbränsleceller går framåt via specifika nischmarknader, exempelvis småskalig kraftgenerering i Japan. I USA har Bloom Energy installerat system i 100 kW- MW skala, vilket bl.a. motiveras av den låga kvalitén på elnätet. I Europa finansierar EU marknadsintroduktion av småskalig kraftgenerering (oberoende av bränslecellstyp) i eneField och PACE programmen. Forskning, utveckling och marknadsintroduktionsaktiviteterna är störst i Japan och Tyskland, med mycket långsiktiga program och tillhörande mål.
I detta nyhetsbrev beskriver vi först det som är av intresse för mobila applikationer, därefter finansiering av forskning, utveckling och marknadsintroduktion och slutligen nämner vi några nyheter som ligger utanför mobila applikationer.
Mobila applikationer
Intresset för att använda sig av SOFC-teknologi inom mobila applikationer har ökat under de senaste åren. Huvudmotivationen för att använda SOFC-teknologi är möjligheten att generera ström från ett flertal olika bränslen (t.ex. etanol, bio- och naturgas samt diesel), till skillnad från lågtemperaturbränsleceller (exempelvis PEFC), vilka endast kan drivas på väldigt ren vätgas. Elektriska verkningsgrader över 60% är ytterligare en faktor som har lett till ökat intresse för SOFC-teknologi. En av anledningarna till att intresset för att använda sig av SOFC inom mobila applikationer har ökat under de senaste åren är att flera SOFC-tillverkare har utvecklat system som drivs vid betydligt lägre temperaturer än de traditionella SOFC-systemen (600-700 ˚C jämfört med 800-1000 ˚C). Detta gör dem mer tåliga mot termisk cykling samtidigt som start-upp tiden är kortare.
Det brittiska SME-företaget Ceres Power har utvecklat en bränslecell som drivs vid 600 ˚C [3]. Rapporterat på konferensen är att deras stackar kan börja operera redan inom 8 minuter och tiden det tar innan stacken är uppe i full prestanda är endast 15 minuter. Deras stackar använder sig inte utav glas eller keramiska material för att foga ihop de enskilda cellerna vilket gör dem extremt tåliga mot termisk cykling (över 3000 cykler testade). Dagens Ceres Power stackar har en elektrisk verkningsgrad på 50 % men deras R&D stackar ligger på 65 %. De förväntar sig därför att deras kommersiella system kommer att ha en elektrisk verkningsgrad på över 60 % inom de närmsta åren. Kostnaden för Ceres Power’s SOFC-system ligger idag på $4000/kW (Stackkostnaden är $1500/kW). Målet är $2000-2500/kW för ett system och $300/ stack. Ceres Power jobbar för tillfället med många företag, framförallt för stationära applikationer men med avseende på mobila applikationer är det mest intressanta projektet med Nissan, där Nissan vill använda deras stackar som ”range extender” i deras elbilar [3].
AVL-List GmbH är ett Österrikiskt företag som satsar på SOFC för mobila applikationer, framförallt med fokus på ”range extenders” i elbilar. Till skillnad från Ceres Power tillverkar AVL inte egna stackar utan sätter ihop system. Det österrikiska företaget Plansee är en av samarbetspartnerna, vilka producerar stackar och bipolära plattor. För tillfället arbetar AVL med att utveckla en 5 kW SOFC APU-enhet inom projektet Mestrex. I projektet ska en “range extender” med hög verkningsgrad baserad på SOFC teknologi utvecklas som kan drivas på CO2 neutrala bränslen. I deras presentation noterades att de fokuserar på en etanol/vattenblandning (50/50%) som bränsle [4]. Inom Mestrex-projektet utvecklar de en 5 kW range-extender, men det långsiktiga målet är att utveckla 20-30 kW APU system. Följande mål har sats upp för projektet samt ALV långsiktiga mål [5]:
Mestrex mål:  AVLs långsiktiga mål:
System prestanda (netto)      3kW -5kW    20 kW – 30 kW
Elektrisk verkningsgrad           >50%          55% – 60%
Ljudnivå                                <60 dB             <40 dB
Vikt/prestanda                  <20 kg/kW          3-4 kg/kg
Livslängd                              >500h              5000h
kostnad/kW                    <10,000€/kW         €250/kW
Konferensen domineras fortafarende av forsknings- och utvecklings-föredrag där nya material och lösningar presenterades. Man har generellt sett en trend där fler och fler stackar drivs vid lägre temperaturer idag, jämfört med för ett par år sedan vilket är en positiv trend för mobila applikationer. Det finns ett program i USA som satsar på bränsleceller som drivs vid 200-500 ˚C (ARPA-E REBELS Program). Detta program startade 2007 (74 projekt hittills) där bla det amerikanska SOFC-företaget Redox Power är involverade. Under ett föredrag om ARPA-E REBELS-programmet sades det att 550-600 ˚C antagligen är en mer optimal temperatur eftersom kol-deposition är ett stort problem vid lägre temperaturer (målet är att kunna använda kolinnehållande bränslen) samt att man kan få ut en högre krafttäthet vid något högre temperaturer än 200-500 ˚C [6].
Under konferensen fanns det även ett fåtal presentationer där SOFC-teknologin kan användas inom nischorienterade mobila applikationer. Två exempel på detta är ett projekt med företaget Adelan Ltd där ett mindre SOFC-system (i detta fall endast 100 W och endast 1 kg samt med turbulär design) ersätter ett batteri i en robot [7]. De lyckades förlänga robotens arbetstid från 6 timmar till 30 timmar med en SOFC, jämfört med batterier. Vidare tar tankningen endast en minut (propan användes som bränsle). Ett annat exempel är företaget Ceramatec vilka vill använda sig av SOEC-teknologi (elektrolys baserad på SOFC teknik) för att producera syrgas från den CO2-rika atmosfären på mars [8]. TyssenKrupp skulle också ha presenterat ett av deras projekt där Diesel-baserad SOFC ska användas för marina applikationer men detta föredrag ställdes tyvärr in.
Finansiering av forskning, utveckling och marknadsintroduktion
Tyskland försätter att vara en dominerande spelare för forskning och utveckling av bränsleceller. Det nationella programmet NIP har nyligen förlängts med 10 år (1400 M EUR i statlig finansiering och industriell medfinansiering av motsvarande belopp). Bränslecellsutvecklingen hos forskningscentrum och universitet finansieras även av EU och av nationella grundforskningsprogram. Tyska företag som representerar hela bränslecellens
värdekedja har samlats i organisationen VDMA [10]. Det bör noteras att bränslecellen med längst livslängd hos Forskningscentrum Jülich fortfarande är i drift och är nu uppe i 85 500 timmar. Vidare har 20 000 timmars livslängd uppvisats för elektrolyssystem hos Jülich [9].
I Japan har fler än 200 000 system för småskalig kraftgenerering installeras genom ENE-FARM programmet. Förvånande är att Toshiba har slutat att sälja sina PEFC system, dock har Toshiba installerat ca 100 000 system vilket gör dem till den största tillverkaren. En anledning sägs vara att elverkningsgraden blir viktigare när det p.g.a. en lagändring 2016 numera är tillåtet att exportera el till nätet. Nuvarande (2017) prisnivå för ett ENE-FARM är 1,3 MYen (96 000 SEK) för ett 700 W SOFC system och 1,1 MYen (81 000 SEK) för ett PEFC system. System med en storlek på 3kW (från Kyocera) riktade till mindre företag lanseras under juli 2017. Det statliga marknadsstödssystemet i ENE-FARM-programmet som ursprungen var planerat att sluta 2015 men är nu förlängt till 2019 för PEFC och till 2021 för SOFC. Olympiaden i Tokyo 2020 är en stor motivation för vätgas och bränslecellssatsningar i Japan. Utanför ENE-FARM programmet satsas på demonstrationer i större skala, exempelvis Fuji Electric (50 kW) & Hitachi Zosen (20 kW) & MHPS (250 kW). Motivering för distribuerad kraftgenerering i Japan baseras på en relativt låg genomsnittlig verkningsgrad på deras nuvarande naturgaseldade kraftverk, samt att även värme tas tillvara när kraftgenereringen distribueras. [11]
Det statliga forskningsfinansieringen för SOFC i USA är genom NETL (tidigare SECA) inriktad på stora system där kol gasifieras. Detta program kompletteras som ovan nämnts av ARPA-E programmet där även andra bränslen än kol används [6] [12].
Nyheter av icke mobila applikationer
Hexis (uppköpt av Viesmann) designar om sitt system men behåller tidigare version av bränslecellsstacken. Uppdaterat system är billigare och består samtidigt av fler Viesmann komponenter. Hexis övergår också till försäljning genom Viesmanns försäljningskanaler. Systemstorlek är 1.5 kW och en livslängd om 40 000 h förväntas. Elverkningsgraden är 40 % och störst potential för att öka denna finns i reformersystemet (om CPOX ersätts) [13].
Solid Power startade under 2016 åter upp produktionen av blueGen (utvecklades av CFCL som gick i konkurs 2015) och deras system är del av EUs marknadsintroduktionsprogam. Solid Power arbetar med certifiering i USA för att kunna expandera sin potentiella marknad [14].
Utvecklingen i Danmark (Haldor Topsoe och DTU) fokuserar numera mer på elektrolys än på bränsleceller. Haldor Topsoe har lanserat eCOs™ “electrolytic Carbon Monoxide solution” [15] [16] där CO2 reformeras till CO. Satsningen på elektrolys i Danmark är även kopplad till den stora utbyggnaden av vindkraft. [16] [17].
Noteras att GE, som startade ett ”internt” start-up 2014, har ett minskat sitt focus på bränsleceller och söker partners för att kommersialisera sin teknik [18].
Exempel på ett spännande bränslecellsprojekt är ”The Human Toilet” vid TUDelft, som finansieras av Bill and Melinda Gates stiftelse [19]. Youtube film:[20].
Referenser
[1] Konferenshemsida
[2] IEA Fuel Cell implementation agreement
[3] S. Mukerjee, Development progress on the Ceres Power Steel Cell Technology Platform: Further progress towards commercialization, Presentation SOFC XV.
[4] V. Lawlor, SOFC System for Battery Electric Vehicle Range Extension: Results of the first half of the Mestrex Project, Presentation SOFC XV.
[5] V. Lawlor, SOFC System for Battery Electric Vehicle Range Extension: Results of the first half of the Mestrex Project, Proceeding SOFC XV.
[6] P.S. Albertus, Fuel Cells Operating at 200 to 500 Celsius: Lessons Learned from the ARPA-E REBELS Program, Presentation SOFC XV.
[7] K. Kendall, Adelan, Microtubular SFOC (mSOFC) in Mobile Robot Applications, Presentation SOFC XV.
[8] J. Hartvigsen et al, Oxygen Production from Mars Atmosphere Carbon Dioxide
Using Solid Oxide Electrolysis, Proceeding SOFC XV.
[9] Mihails Kusnezoff, IKTS Frauenhofer & Ludger Blum, FZJ, Presentation IEA annex 32 möte July 2017.
[10] VDMA
[11] Harumi Yokokawa , Tokyo University, Presentation IEA annex 32 möte July 2017.
[12] S. Vora, US DOE, Overview of U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy’s Solid Oxide Fuel Program, Presentation SOFC XV.
[13] A. Mai, Hexis, Progress in HEXIS’ Development: Galileo 1000 N and HESIS’ Next Generation SOFC System, Presentation SOFC XV.
[14] O. Bucheli, SolidPower, Development, Manufacturing and Deplyment of SOFC-Based Products at SOLIDpower, Presentation SOFC XV.
[15] Haldor Topsoe eCO2
[16] R. Küngas, Haldor Topsoe, e C O S –a Commercial CO2 Electrolysis System Developed by Haldor Topsoe, Presentation SOFC XV.
[17] A. Hagen, DTU, Presentation IEA annex 32 möte July 2017.
[18] D. Hickey, GE, Stack Decelopment at GE-Fuel Cells, Presentation SOFC XV.
[19] P.V. Aravind,TU Delft, Opportunities and Challenges in Using SOFCs in Waste to Energy Systems, Presentation SOFC XV.
[20] TUDelft – Reinvent the Toilet – Youtube film