1

Den danske brint- og brændselscelledag 2017

-”HyFillFast”

Torben R. JensenProfessor, dr.scient.

iNANO – The Interdisciplinary

Nanoscience center and

Department of Chemistry

Aarhus University

2

Kategorier, partnere og nøgletal

• Projektet er støttet af Innovationsfonden i perioden 1. Januar 2012 til 31. december 2017.• Samlet budget DKK 39,39 mio og et tilskud fra Innovationsfunden på DKK 21,97 mio.

• Projektpartnere:• Aarhus Universitet, Danmark• Lektor Irina Petrushina og Prof. Jens Oluf Jensen

Department of Energy Conversion and Storage, DTU• Lektor Masoud Rokni,

Department of Mechanical Engineering, DTU• Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Tyskland• H2 Logic (Nu: Nel Hydrogen Fuelling), Danmark • Korea Institute of Science and Technology, Seoul, Sydkorea

Mikael Sloth

Vice President Business Development

Nel Hydrogen

3

Projektbeskrivelse/formål/målsætninger

• Projektbeskrivelse

• Formål: Integration af komprimeret brint via en ionisk væske som stempelkompressor + faststofopbevaring af H2

• Målsætning• Designe et helt nyt koncept, hvor hydrogen opbevares både som gas ved højt tryk

(700 bar) og i et fast stof• Udvikle nye metoder til hydrogen-komprimering med højere energieffektivitet og

som ikke opvarmer brinten eller leder varmen væk

• Potentiale: hurtig optankningstid, høj hydrogenkapacitet, lang kørselsrækkevidde og en væsentlig forbedret energieffektivitet.

4

Arbejdspakker• Inddelt i 5 arbejdspakker

WP2 WP3

WP4

5

WP2

• Ioniske væsker (IL)• Fem kandidater udvalgt

• Korrososionstest af materialer ifm. de 5 IL.• Legering AISI 316L

Nasrin Arjomand Kermani,

Masoud Rokni

DTU-MEK

6

WP2

• Kompressor til testning af ioniske væsker bygget i laboratorieskala• Design, sikkerhedskoncept, varmeoverførsel evalueret.• Thermodynamisk model udviklet

WP 2 Heat Transfer Modelling

Nasrin Arjomand Kermani, Masoud Rokni

The model is based on:

➢ Mass balance

➢ Energy balance

of the hydrogen, liquid, and chamber’s

wall

Hydraulic System

Accumulator

Controller Special bygget laboratorium på DTU

8

WP3Kombineret højt tryk og gas opbevaring af brint

• Udvikling af højttryksudstyr (< 700 bar) til karakterisering af materialer• Efterligner betingelser i moderne brintdrevne biler (e.g. Toyota Mirai)

• Hydrogen kompressor: MmNi4.35Co0.8Al0.05 (Mm = Mischmetal, e.g. La and Ce).• Plateutryk: 70 bar ved 20 °C men 1370 bar ved 200 °C

• In situ studier muligt• Implementeret på DESY, PETRAIII

Synkrotronen i HamborgPå MAX-IV, inden længe

B. R. S. Hansen et al., J. Appl. Crystallogr. 48 (4), 1234-1241.

• Cycles made on differential pressure / continuous volumetric apparatus

• Higher pressure improves absorption (t < 1h)

• Cycling 10 times

• Several batches prepared (> 2 Kg in total)

9

Larger Scale ~0,5 kg, komposit: 2LiBH4-MgH2

5

System Integration

Experiments in real applications

Successful coupling system

PEM fuel cell real requests

Critical data

Experiments design

Demonstrations

System integration with solid oxide fuel cell (SOFC)

Optimal conditions for reactive hydride composites

Increasing system efficiency

Recovering heat

AARHUS UNIVERSITYDepartment of Chemistry

11

Novel metal borohydrides

KSc(BH4)4[5] NaSc(BH4)4

[4]

Sr(BH4)2[11]

Sr(BH4)Cl[11]Ba(BH4)xCl2-x[13] Ba(BH4)xCl2-x

[13]

β-Y(BH4)3[3] K3Y(BH4)6-xClx

[13]

MZn2(BH4)5[1]

(M = Li, Na)NaZn(BH4)3

[1]

α-Cd(BH4)2[8]

KZnBH4Cl2[2]

KZn(BH4)3[6] K2Zn(BH4)4-xClx

[6]

K2Cd(BH4)4[8]

KCd(BH4)3[8]

β -Cd(BH4)2[8]

[1] Ravnsbæk et. al, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6659-6663. [2] Ravnsbæk et. al, J. Eur. Inorg. Chem. 2010, 11, 1608-1612. [3] Ravnsbæk et. al, Inorg. Chem. 2010, 49,

3801–3809. [4] Cerny et. al, J. Phys. Chem C 2010, 144, 1537. [5] Cerny et. al, J. Phys. Chem C 2010, 114, 19540–19549. [6] Cerny et. al, J. Phys. Chem C 2011, in press. [7]

Schouwink et al, J. Phys. Chem. C, 2011, submitted. [7] Ravnsbæk et. al, Angew. Chem. 2011, submitted. [9] Ravnsbæk et. al, Int. J. Hydrogen Energy 2011, submitted. [10]

Ley et. al, 2011, JACS, submitted. [11] Ravnsbæk et al, Inorg. Chem. 2012, to be submitted. [12] Ley et al, 2012, under preperation. [13 Ravnsbæk et al, 2012, under

preperation. ]

LiM’(BH4)3Cl[10,12]

(M’= La, Ce, Gd)NaY(BH4) 2Cl2

[9]

K2Zn(BH4)4-xBrx[13]

K3Mg(BH4)5[7]

K2M’(BH4)4[7]

(M’= Mg, Mn)

12

WP3

• Højt tryk påvirker reaktionskinetik

• Na2B10H10 – 8 NaH• RT - 302 °C (∆T/∆t = 10 °C/min)• isothermal at T = 302 °C for ~3 hours• p(H2) = 440 bar • λ = 0.20720 Å

• Stabile closo-boraner omdannes til MBH4

S. R. H. Jensen et al., Phys. Chem. Chem. Phys., Submitted.

13

WP3

S. R. H. Jensen et al., Phys. Chem. Chem. Phys., Submitted.

Lette borhydrider kan have meget højt brintindhold

Højere boraner er intermediater

Brint optag og afgivelse ofte en meget kompleks reaktion

14

Struktur og egenskaber af nye forbindelser

undersøgt med teori og

eksperimentielle metoder

Jepsen et al. , Inorg. Chem. 54, 7402 (2015)AU-KIST

Ammoniak holdige forbindelser, Y(BH4)3xNH3

30 new borohydrides in:

Ammonium borohydride perovskite

NH4Ca(BH4)3, m = 15.7 wt% H2,

short di-hydrogen bonds ~2.2 Å, H2 elimination at Tdec ~ 100 C, formation of Ca(BH4)2NH3BH3.

‘Uorganisk naturgas’ NH4BH4

m = 24.5 wt% H2.

May also be stabilised at high p(H2) 200 < p(H2) < 500 bar

WP4: Tank design for combined high pressure gas and

solid state hydrogen storage

δ

Andrea Mazzucco, Masoud Rokni

H2-Logic, HZG Hamborg

17

WP4• Varmehåndtering i gastanke

• Modeller udviklet til forudsigelse af temperaturstigning ved komprimering af brint• Forskellige scenarier udvalgt

• T < 85 °C er kritisk

• Forøgelse af varmeoverførsels-Området mindsker temperatur-stigningen

• Evt. et faseændringsmateriale

Page 18 © 2017 Nel Hydrogen | www.nelhydrogen.com

About Nel Hydrogen

● World’s largest pure-play hydrogen company with a market cap of more than $250 million.

● 190 employees in Denmark, Norway and USA with world-class experience and skills.

● Offering hydrogen technology and solutions for industrial, energy and transport applications.

● More than 3500 hydrogen solutions delivered in 80 countries world wide since 1927.

● World #1 on hydrogen electrolysers and hydrogen fueling – unrivalled performance and track-record.

ALKALINE ELECTROLYSERS HYDROGEN FUELINGPEM ELECTROLYSERS

Dates back to

1927

Acquired in 2017 Acquired in 2015

CONFIDENTIAL Page 19 © 2017 Nel Hydrogen | www.nelhydrogen.com

H2Station® Hydrogen fueling stations since 2003

One among the first in the world to achieve 70MPa SAE J2601 compliance in 2011

Page 20 © 2017 Nel Hydrogen | www.nelhydrogen.com

H2Station® manufacturedat world’s largest factory

300 H2Station® per year – sufficient for

fueling 200.000 new FCEVs annually.

€9 million initial investment.

New H2Station® manufacturing facility in Denmark

21

Forskningsmæssigt udbytte

• WP1: Projekt management (projektet fulgte den oprindelige tidsplan)

• > 120 publikationer fra 2012 - 2017

• > 50 Foredrag, > 50 postere

• 7 PhD grader

• Videreuddannelse af 6 post doc’s

22

Konklusioner og perspektivering• Ioniske væsker som kompressionsstempel er lovende, alle

brikke til ‘puslespil’ er klar

• Brintopbevaringsmaterialer, reversibelt, dog stadig høj

temperature ca. 350 C

• Faseændringsmaterialer kan optimere den nuværende

optankningsprocedure ved at optage varme

• Nyt design af faststof brint tank

• > 100 helt nye brintholdig materialer