Protonledende keramiske brenselceller for framtidens energiteknologi

Transkript

1 Store programmer Faktaark Protonledende keramiske brenselceller for framtidens energiteknologi Prosjekt: Nanomat-Funmat; Funksjonelle Oksider for Energiteknologi (FOET, ). Aktivitet A2. Utvikling av oksidiske protonledere for brenselceller og membraner Brenselceller basert på keramiske protonledere for høye temperaturer kan oppnå en virkningsgrad på mer enn 70 % ved konvertering av kjemisk energi til elektrisitet. Denne teknologien er dermed et lovende alternativ i fremtidens miljøvennlige energikonvertering. Fokus i dette prosjektet har vært å utvikle materialer for å kunne realisere denne teknologien. Bakgrunn og mål Effektiv og miljøvennlig konvertering av kjemisk energi til elektrisitet er en av vår tids største teknologiske utfordringer. Høytemperaturbrenselceller er lovende, med høy effektivitet, stor fleksibilitet med hensyn på type brensel, og med enkel CO2 fangst ved bruk av fossilt brensel. Materialer som leder protoner ved moderat til høye temperaturer ( C) kan benyttes som elektrolytt i brenselceller (se figur under), og slike brenselceller gir høyest teoretisk virkningsgrad. Materialer med høyest protonledningsevne er derimot ikke tilstrekkelig stabile til å brukes som elektrolytter i brenselceller. Hovedmålet med prosjektet har derfor vært å utvikle materialer med tilstrekkelig kjemisk og mekanisk stabilitet og funksjonelle egenskaper til å realisere en energiteknologi basert på brenselceller med keramiske protonledere. Resultater Ved starten av prosjektet ble det gjort en empirisk vurdering av hvilke binære og ternære oksider som kunne ha protonledningsevne kombinert med kjemisk og mekanisk stabilitet. Protonledningsevnen i de mest lovende av disse materialsystemene ble studert. En figur under viser hvordan ledningsevnen varierer med temperatur i forskjellige atmosfærer for lantanortoniobat (LaNbO4), hvor 1 % av La-ionene er skiftet ut med Ca-ioner. Ved lav temperatur ser vi at ledningsevnen er høyere i fuktig gass enn i tørr gass, samt at tungtvann gir lavere ledningsevne enn vanlig vann. Disse observasjonene viser at oksidet tar opp protoner fra vann,

2 og at protonene bidrar til ledningsevnen, med et maksimum i protonledningsevnen opp mot 0,001 Scm-1. Dette er den hittil høyeste rapporterte protonledningsevnen for materialer med stabilitet over tid under brenselcellens bruksbetingelser. Med den målte ledningsevnen må elektrolytten være tynn (0,001mm) for å kunne lage brenselceller med tilstrekkelig lav motstand, noe som vil stille store krav til fabrikasjon av cellene. Anvendelse og nytteverdi Flere av materialene som ble karakterisert under dette prosjektet har industrielt anvendelsespotensial. Materialklassen sjeldne jordarts ortoniobater og -tantalater er patentert for bruk i protonledende høytemperaturbrenselceller i et samarbeid mellom NTNU og UiO. Patentet er grunnlaget for bedriften Protia AS (startet 1. februar 2008) som skal videreutvikle og kommersialisere protonledende høytemperaturmaterialer for fremtidens energiteknologi. Videre er det generert en rekke oppfølgingsprosjekter med utgangspunkt i resultater og ideer fra prosjektet. Disse er finansiert via Norges forskningsråd, Nordisk Energiforsking samt under EUs 7. rammeprogram. Lykkes vi med å utvikle protonledende brenselceller mot kommersialisering vil dette ha en enorm nytteverdi og virkelig sette Norge på kartet innen ny energiteknologi. I tillegg til interessante resultater sett fra et teknologisk perspektiv, er det viktig også og vektlegge det akademiske bidraget fra prosjektet. Eksperimentene har vist at vi kan bruke teoretisk og empirisk innsikt i korrelasjoner mellom sammensetning, struktur og egenskaper til å forutse blant annet konsentrasjon, mobilitet og derved ledningsevnen til protoner i oksider. Figuren til venstre viser ledningsevnen i Ca-dopet LaNbO4 som funksjon av invers temperatur: Den høye ledningsevnen i våte atmosfærer samt H/D isotopeffekten viser protonledningsevne. Knekken i kurvene rundt 500 C viser faseovergangen. Den høyere ledningsevnen i oksiderende (O2) enn i reduserende (H2, D2) atmosfærer viser bidrag fra elektronhull ved høye temperaturer. Figuren til høyre viser skjematisk en brenselcelle basert på Ca-dopet LaNbO4. Protonene hopper mellom på oksid-ionene. Cellen kan bruke 100 % av H2 som brensel; vann dannes på katodesiden og fortynner ikke brenselet /S10 Ansvarlig: SINTEF Materialer og kjemi - Trondheim Prosjektleder: Forskningsleder Rune Bredesen Kontaktpersoner: Professor Truls Norby, Universitetet i Oslo Forskningsleder Rune Bredesen Institusjon: SINTEF Materialer og kjemi Trondheim Telefon: e-post: rune.bredesen@sintef.no

3 Store programmer Faktaark Wide Energy bandgap materials for electronics Project: Nanomat-Funmat; Functional Oxides for Energy Technology (FOET, ).Activity B2. Wide band-gap oxides as new semiconductor materials for power electronics In this Activity, monocrystalline ZnO has been explored as a wide energy bandgap material for electronics using hydrothermally grown bulk samples of n-type. So-called ZnOelectronics has a number of fundamental advantages relative to the conventional Si-based electronics, because of superior inherent material properties such as a direct bandgap, low intrinsic carrier concentration promoting operation at elevated temperatures (>200 C) and high electric field strength. A basic device is the Schottky barrier diode (SBD) and formation of reliable/stable SBD s on ZnO is a challenge acknowledged by many groups. Through careful surface preparation involving treatment in hydrogen peroxide (H2O2) prior to deposition of Pd as contact metal, SBD s with excellent performance have been accomplished. The diodes display up to 9 (!) orders of magnitude in current rectification for biases of -2 V and +2 V when deposited on the O-face of the samples. This is a very encouraging result and among the best reported so far in the literature. Moreover, the SBD s exhibited long term stability at room temperature and heat treatment up to 200 C indicated even additional improvement. Such SBD s are also ideal as a vehicle for electronic characterization of defects in ZnO.

4 Contact persons: Prof. Bengt G. Svensson, Subproject leader Oxides for energy conversion and power electronics, University of Oslo Dr. Rune Bredesen, Project manager FOET, SINTEF Figure showing the currentvoltage characteristics of a Schottky barrier diode formed by deposition of Pd on two monocrystalline ZnO samples of n-type. The ZnO surface (O-face) w a s t r e a t e d i n hydroperoxide prior to the Pd deposition and a rectification of the current by up to 9 orders of magnitude is obtained for sample A. The inset shows that an Ohmic behaviour (no rectification) occurs without the treatment in hydroperoxide.

5 Store programmer Faktaark Spray pyrolysis, a powerful synthesis method providing high quality ceramic powders in a demanding market Project: Nanomat-Funmat; Functional Oxides for Energy Technology (FOET, ). Results from Activity C1 Spray pyrolysis Bakgrunn og mål: The possible applications of ceramic materials are numerous ranging from high temperature fuel cells (SOFC) and catalytic active materials, via dielectrics (ferro- and piezo-electric) to oxygen separation membranes and high temperature superconductors, to mention a few. These material systems have all in common that they are oxide based with rather complex compositions and materials processing is usually based on the availability of homogeneous, nano sized powders. A particular powerful method to obtain ceramic powders with nano-homogeneity and nanosize combined with a high production rate is spray pyrolysis. The precursors are typically based on water soluble metal salts (e.g. nitrates) mixed in correct proportions and atomized using pressurized air and subsequently fed into a hot rotating chamber where drying and reaction takes place. A complete pilot plant for powder production based on spray pyrolysis was established at Department of Materials Science and Engineering (NTNU) in The production capacity is between 5 and 10 kilos of powder per day and since establishment it has been produced a variety of different compositions, and the method has demonstrated its versatility producing high purity, homogeneous powders with particle size less than 100 nm. The powders have shown excellent sintering properties resulting in well-defined micro structures even in the sub-micron range. The pilot plant is one of only a few production facilities in Europe.

6 A spin off company, CerPoTech AS (Ceramic powder technology), was established in October 2007 aiming at producing powders by spray pyrolysis and selling high quality ceramic powder in a growing market. The enterprise was initiated by three professors at the department, strongly assisted and supported by the Technology Transfer Office (TTO) at NTNU /S10 Ansvarlig: NTNU Contact persons: Prof. Kjell Wiik, C1 Activity leader Spray pyrolysis, NTNU Dr. Rune Bredesen, Project manager FOET, SINTEF Nettside: