8 minuters introduktion till bränsleceller - Swerea

8 minuters introduktion till bränsleceller
Vad är en bränslecell?
En bränslecell omvandlar kemisk energi,
vanligtvis från vätgas, till el. Processen liknar
ett batteri, men energin tillförs utifrån. Om
vätgas används som bränsle, så består
avgaserna av rent vatten.
Önskas ett annat bränsle än vätgas, t.ex.
biogas, så behövs oftast någon form av
reformer, som först omvandlar bränslet till
vätgas.
Varför bränsleceller?
Bränsleceller ger hög verkningsgrad, stor
bränsleflexibilitet (vätgas kan tillverkas från
många energikällor), rena avgaser och har
potential för ett lågt framtida pris.
Största drivkraften idag är tryggad energiförsörjning
och låga koldioxidutsläpp från
framtidens bilar. Parallell utveckling sker för
många andra applikationer, främst andra
fordon, stationär kraft och bärbar elektronik.
Peak Oil kommer allt närmare och biobränslen
kan bara ersätta cirka en fjärdedel av dagens
förbrukning i transportsektorn. Hybridbilar,
pluginhybrider och batteribilar
utgör bra lösningar för förbrukningsminskning
vid stadskörning, men inte vid
landsvägskörning. Bränsleceller i kombination
med batterier utgör då ett naturligt teknikval.
Ovanstående utveckling gör att en rimlig
bedömning är att cirka en fjärdedel av bilarna i
framtiden kommer att ha bränsleceller.
I Europa skall 65% av personbilarna klara 130
gram CO2/km år 2012 och kraven skärps
successivt. 2020 års krav på 95 gram CO2/km
motsvarar 0,4 liter bensin/km.
I USA sker motsvarande procentuella skärpning
av CO2 utsläppen.
Förenklad bild av en PEMFC cell
Vätgastankstation
CO2-krav på personbilar uttryckta som
bensinförbrukning i liter/mil
1. Faktisk förbrukning svensktillverkade bilar vår 2009
2. Faktisk förbrukning EU.medelvärde vår 2009
3. Krav för 65% av producerade bilar 2012
4. Krav för 100% av producerade bilar 2015
5. Krav 2020

H2
Bipolär
platta
e -
Bränslecellstekniker
Det finns flera bränslecellstekniker. En viktig skillnad är arbetstemperaturen. Hög
arbetstemperatur medför:
• Hög verkningsgrad
• Stor bränsleflexibilitet
• Låg känslighet för förorenat bränsle
• Mindre åtgång av platina med flera bristmaterial
Men också:
• Längre uppstartningstid
• Dyrare material
• Större problem med materialpåkänningar
• Oftast stora klumpiga system
De vanligaste bränslecellstyperna är:
• PEMFC Den i särklass vanligaste bränslecellstypen, som vi bland annat förväntas
komma att få se i framtida bilar
• HTPEMFC En yngre vidareutveckling av PEMFC som eliminerar några nackdelar,
men inför enstaka nya.
• DMFC En bra lösning för bärbar elektronik. Blir för dyr vid effekter över 100W
• MCFC För närvarande den mest attraktiva bränslecellstekniken för
kraftvärmeapplikationer >100kW
• PAFC Anses av många som en föråldrad teknik, men ger fortfarande den bästa
livslängden
• SOFC En inte lika mogen teknik som PEMFC, MCFC och PAFC och därmed
svårbedömd. Kanske bästa framtida valet för lägre effekter och bränslen
som måste reformeras
Anod/
Katalysator
Diffusionsskikt
Membran Katod/
Katalysator
Uppbyggnaden av en PEMFC cell
e -
Luft
Bipolär
platta
DMFC MP3 spelare.
Konceptstudie från
Toshiba
PAFC 200kW kraftvärmeaggregat
byggt i några hundra exemplar

Vanligaste bränslecellstyperna
Kortnamn PEMFC HTPEMFC DMFC MCFC PAFC SOFC
Fullständigt
namn
Arbetstemperatur
°C
Typisk
livslängd
Vanligaste
applikationer
Verkningsgrad
%
Proton
Exchange
Membrane
Fuel Cell
High
temperature
Proton
Exchange
Membrane
Fuel Cell
Direct
Methanol
Fuel Cell
Molten
Carbonate
Fuel Cell
Phosphoric
Acid Fuel
Cell
Solid Oxid
Fuel Cell
55-90 115-180 50-120 650-800 200-220 700-1000
LTSOFC 350-
550
Stationär
drift
20.000tim
Transient
drift 1.500
tim
Fordon
Backup
Kraftvärme
för villabruk
Snarlikt
PEMFC men
mer
obeprövat
Upp till 3000
tim
Fordon Bärbar
elektronik
Elkraft i
fritidsfordon
30.000-
40.000 tim
Kraftvärme
>100kW
35-45 30-40 25 Bränslecell
45-50
Kraftvärme
85
40.000-
60.000 tim
Kraftvärme
>100kW
Bränslecell
36-42
Kraftvärme
65-90
3.000-
20.000 tim
Från bärbar
elektronik
till
kraftvärme.
10W-200kW
40-52

Var står tekniken idag?
Med undantag av SOFC, så börjar
bränslecellssystem nu bli tekniskt mogna med
framförallt en acceptabel tillförlitlighet och
god verkningsgrad.
Elektrokemiska energiomvandlare (batterier
och bränsleceller) har alltid en begränsad
livslängd, vilket begränsar
användningsmöjligheterna i många
applikationer. För stationära applikationer ger
PAFC längst livslängd med 40 – 60.000 timmar.
PEMFC kan nå cirka 20.000 timmars livslängd
vid stationär drift, men ofta bara 1.000-2.000
timmar vid okontrollerad transient drift. Ofta
kombinerar man därför bränsleceller med
batterier för att skapa mer stationära
driftförhållanden av bränslecellerna. På det
sättet kan man nå de 5.000 timmar som brukar
vara konstruktionslivslängden för en personbil.
Drivlinan i en bränslecellsbil har bara tiondelen
så många komponenter som drivlinan i en
förbrännings-motorbil. När tekniken har
mognat, så finns därför potential för
bränsleceller att vara en billig teknik.
Fortfarande är dock kostnadsreduktionen den
största utmaningen
Daimler, Ford, GM/Opel, Honda, Hyundai, Kia,
Renault, Nissan och Toyota angav i ett
gemensamt uttalande i september 2009 att en
försiktig start för massproduktion av
bränslecellsbilar kommer 2015. Detta betyder
att tekniken ligger 17 år efter hybridbilarna.
Bottenplatta till en SUV konceptbil från
koreanska KIA
Bränslecellstillverkning hos Honda

Vilka applikationer passar bränsleceller för?
Applikationerna för bränsleceller kan till stor
del bedömas utifrån parametrarna:
• Kostnad
• Livslängdskrav
• Bränslelogistik
Applikationerna kan indelas i:
• Fordon
• Kraftvärme
• Backupenergi
• Bärbar elektronik
Fordon
Bränsleceller har främst visat sig lämpliga för
personbilar, bussar och truckar. För de två
senare tillämpningarna är fortfarande
livslängden ett problem. Idag provas endast
PEMFC och HTPEMFC. För personbilar finns det
få alternativ till bränsleceller när kraven på
uthållig energitillgång med låga CO2-utsläpp
blir tillräckligt höga. Bränsleceller brukar
beskrivas som den slutgiltiga lösningen.
En annan fordonstillämpning där bränsleceller
lämpar sig är hjälpaggregat för elgenerering
när framdriftsmotorn är avstängd. Detta är
främst aktuellt i lastbilar, bussar, husbilar,
husvagnar och båtar av alla storlekar.
Stationär kraft
Bränsleceller används framförallt för
kraftvärme där både el och värme tas tillvara.
Det finns två fokus på marknaden:
Villaaggregat, ofta drivna av naturgas, med
effekter på 1-2 kW och PEMFC eller SOFCteknik
Aggregat på 200 – 400 kW. MCFC-tekniken har
varit framgångsrik med en kombination av
tillförlitlighet och mycket hög verkningsgrad,
men även PAFC och SOFC förekommer.
Bränslecellssystem för marint bruk från Proton
Motor
Bränslecellsbaserat kraftvärmeaggregat från
Webasto för diesel eller naturgas.
Uteffekt: El 1kW, Värme 4,5kW

Backupenergi
Backupenergi för telekombasstationer har varit
den första civila genomslagsmarknaden för
bränsleceller. Tekniken konkurrerar med
blybatterier och dieselgeneratorer. Endast
PEMFC förekommer. För backupenergi är det
ett mindre problem att det ännu inte finns
någon vätgasinfrastruktur, eftersom det
endast är vid enstaka strömavbrott som
vätgasen förbrukas.
Backupenergi med bränsleceller för IT och
sjukhus har haft en trögare start, men är på
gång.
Bärbar elektronik
Dagens mobiltelefon skall ha energislukande
3G, stor ljusstark skärm, lång drifttid per
laddning, kamera, datorkraft, GPS och därtill
gärna vara tunnare. Litiumjonbatteriernas
kapacitet räcker inte för denna utveckling och
någon större ökning av energidensiteten är
inte inom sikte de närmaste åren.
Bränsleceller, och främst DMFC, kan här utgöra
lösningen.
Bränsleceller kan ge mycket långa drifttider
och drifttiden kan enkelt förlängas genom att
fylla på några centiliter mer metanol.
Problemet är att det är svårt att göra de
kompletta bränslecellssystemen med fläkt,
styrelektronik och tank tillräckligt kompakta.
Genomslaget har därför dröjt mer än vad
produktutvecklarna själva trott. Hittills har vi
mest sett militär utrustning med höga
prislappar. Toshiba släppte en
bränslecellsdriven laddare för bärbara datorer
på den japanska marknaden i oktober 2009.
Vätgasskåp för telekombackup
Fältprov hos TeliaSonera
Toshibas DMFC laddare för bärbara datorer.
Serieproducerad för den japanska marknaden
från oktober 2009

Vanliga argument mot bränsleceller
Det har ”alltid” påståtts vara 10 år tills vi får
bränslecellsbilar.
Området har lidit av allt för många
överoptimistiska bedömningar, vilket har skadat
förtroendet. Det finns tecken på att trenden nu är
bruten. Bilindustrins bedömning att
serieproduktion av bränslecellsbilar startar 2015
har stått oförändrad i tre års tid nu.
Teknikutvecklingen har varit mycket snabb. År
2003 var det svårt att köpa ett bränslecellssystem.
År 2005 var det lätt att köpa system, men
tillförlitligheten var miserabel. Från år 2008
började vi se tillförlitliga system. Kvar står ett
omfattande arbete med att sänka kostnaderna.
Djupa studier av material- och
produktionskostnader visar att vägen är möjlig.
Vätgassamhället är orimligt. Det är för dyrt att
bygga upp infrastrukturen.
I Sverige har vi på kort tid fått en infrastruktur för
E85 (Etanolbränsle), är på god väg att få en
infrastruktur för biogas/naturgas och utbyggnaden
av en infrastruktur med vätgastankstationer har
börjat i skandinavien.
En studie för amerikanska förhållanden visar att
en utbyggnad som skulle ge 85% av befolkningen
tillgång till en vätgastankstation inom 8 km skulle
kosta 150 SEK per person inom täckningsområdet.
Det går åt för mycket platina. Platinareserven
räcker inte.
Det går åt tre gånger så mycket platina till en
bränslecellsbil som till en bensinbil med 3-vägs
katalysator. Det är lättare att återvinna platina
från bränslecellen. Den förbrukade mängden
platina efter återvinning blir ungefär lika stor för
de bägge fordonstyperna. Räknat på dagens
teknologi, så skulle platinareserven räcka i 1.400
år om alla bilar var bränslecellsbilar. Mängden
platina som behövs i en bränslecell har dock
hittills minskat med 90% på tio år och utvecklingen
fortsätter.
15
10
5
0
1995 2000 2005 2010
Antal år tills vi får bränslecellsbilar enligt olika
tidningsartiklar mellan 1997 och 2006.
Vätgastankstationer i Skandinavien
Grön = Befintlig
Gul = Under uppbyggnad
Röd = Under utredning

Vätgas är för farligt. Tänk bara på
Hindenburg!
Vätgas brinner med en osynlig spetsig vertikal
låga. Eldslågorna på bilden kommer från
zaponlacken som väven var målad med.
Precis som andra bränslen och energibärare
måste vätgas hanteras efter sina speciella
förutsättningar för att minska risken för
olyckor.
Vätgas brinner vid koncentrationer mellan 4-
75%. Explosion kan inträffa vid
koncentrationer över 12,5%. Vätgas är dock
vår minsta och lättaste molekyl. Brinnande
vätgas försvinner uppåt och når snabbt
koncentrationer under 4% då gasen slocknar.
Brinnande bensin ligger kvar på marken.
Sannolikt är de totala riskerna med vätgas
mindre än med traditionella fossila bränslen.
Bränsleceller är för dyra
Ja, ännu är bränsleceller för dyra eftersom
tekniken inte finns i riktig massproduktion. Det
finns noggranna utredningar av material- och
produktionskostnader som visar att
bränsleceller i mogen massproduktion utgör
en billig teknik.
Finns det då inga nackdelar med bränsleceller?
Jo, självklart!
• Kostnaderna är ännu för höga!
• Livslängden är för låg för somliga applikationer.
• Vätgasen är skrymmande. Vätgastanken på en
bränslecellsbil blir större, tyngre och mycket dyrare än
en bensintank.
• Många försök med att få till tidiga applikationer faller
på en ännu bristfällig bränslelogistik.
…men när infrastrukturen och volymproduktionen finns på
plats är bränsleceller en billig teknik som är anpassad för det
uthålliga samhället och redan idag börjar tidiga applikationer få
fotfäste på marknaden
Zeppelinaren i Hindenburg
Diagrammet visar vid vilka
koncentrationer i luft som olika gaser är
antändliga

Swerea IVF erbjuder
Marknadsanalyser
Jämförelse av applikationer, kritiska
genombrottsfaktorer, aktörer, betalningsvilja,
kundpreferenser ……….
Kontakter
Val av samarbetspartners för utveckling,
distribution, komponentförsörjning …..
Utvärdering
Teknikval, produkter på marknaden, tester,
demonstrationer ……
Industrialiseringsstöd
Vi kopplar ditt bränslecellsproblem till våra
experter. Vi utnyttjar valda personer inom hela
Swerea-koncernen. 450 kvalificerade personer
varav 65 disputerade och med en
bränslecellsexpert som intern koordinator. Vi
överbryggar avståndet från prototyp till färdig
industrialisering.
Vi har experter inom material,
produktionsprocesser, modularisering och
materialflöden. För bränslecellsutveckling har vår
keramkompetens, plåtformningskompetens,
polymerkompetens, resurser för materialanalys
och stora tapegjutningsmaskin visat sig
användbara.