fueled by LPG or Diesel - Hydrogen fuel cells and battery exhibition

Transcription

Light-weight metallic fuel cell for
portable, mobile and airborne power
generation - fueled by LPG or Diesel
Dr. Sascha Kühn, Thomas Pessara, Dr. Andreas
Rückemann, Dr. Andreas Weber, Dr. Karina
Paciejewska, Dr. Andrea Stoeck, Stephan Mnich,
Lars Winkler
Hannover Messe
09.04.2014
Funded by the
European Union and the
Free State of Saxony
Outline
1. About eZelleron
2. Products + Markets
3. Technical Progress
4. Future Targets
5. Conclusions
eZelleron GmbH - Copying prohibited!
www.eZelleron.de
2
Outline
Cermet Anode Substrate
 Why Powder Injection Moulding?
 Mass-Manufacturing of Substrates
 Proprietary Binder System
Thin film technology for the Electrolyte Layer
 Electrophoretic Deposition (EPD)
 Stacking
 System
System development
 Stacking
 Hotbox
 System
www.eZelleron.de
3
The Company eZelleron GmbH

Founded 12/2007

30 employees (Status Jan. 2014)
Intellectual Property

Portfolio of 13 worldwide registered patent families (USA, Japan, EU)

Several recipes, strategic documents and publications
Pre-Seed-Capital: > 10 mill. €
Seed-Capital: 3,1 mill. €
Funded project volume: 7,5 mill. €
Fraunhofer Campus | Dresden
www.eZelleron.de
eZelleron GmbH
The Company
Founded 12/2007, 25 Employees
Strategic Industry and Research Partners
IP
Big Portfolio of 13 worldwide patent familys (USA, Japan, Europe)
Several receips, strategic documents and publications
Capital
Pre-Seed-Capital: > 8 Mio. EUR
Seed-Capital > 3,1 Mio. EUR
Investments @ Partners > 20,0 Mio. EUR
Fraunhofer Campus, Dresden
www.eZelleron.de
5
eZelleron GmbH
Unternehmen
Gründung 12/2007, 25 Mitarbeiter
Strategische Partner:
FH Oberösterreich
Fraunhofer IKTS
ETH Zürich
Fuel Cell Center, Connecticut
IP
Breites Portfolio von 13 weltweit geschützten Patenten (USA, Japan, Europa)
Strategische Dokumente und Publikationen
Pre-Seed-Capital: > 10 Mio. EUR
Seed-Capital: 3,1 Mio. EUR
Funded Project Volume: 7,5 Mio. EUR
Fraunhofer Campus, Dresden
www.eZelleron.de
6
Patents
Status 01/2014
Patentnumber
PCT/DE2004/000103
PCT/EP2009/008882
PCT/EP2009/008883
PCT/EP2009/008884
PCT/EP2009/008947
PCT/EP2009/008948
PCT/EP2009/008949
PCT/EP2009/008950
PCT/EP2009/008951
PCT/EP2009/008952
PCT/EP2009/008953
PCT/EP2010/004356
PCT/EP2010/003276
Patentnumber
Country 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
DE
DE
DE
DE
DE
DE
DE
DE
DE
DE
DE
DE
DE
24.01. 05.08.
11.12.
11.12.
11.12.
12.12.
12.12.
12.12.
12.12.
12.12.
12.12.
12.12.
24.05.
29.11.
23.08.
24.05.
24.05.
20.09.
09.08.
05.07.
09.08.
16.07.
28.05.
Country 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
PCT/DE2004/000103
PCT/EP2009/008952
EP
EP
PCT/EP2010/004356
PCT/EP2010/003276
PCT/DE2004/000103
PCT/EP2010/003276
PCT/EP2010/003276
PCT/DE2004/000103
PCT/EP2009/008883
PCT/EP2009/008951
EP
EP
JP
JP
CN
US
US
US
PCT/EP2009/008952
PCT/EP2009/008953
PCT/EP2010/004356
PCT/EP2010/003276
US
US
US
US
26.10.
18.06.
-24.08.
14.02.
- 23.05
29.11. 04.04.
17.08.
22.11. 12.11.
28.11. 09.05.
19.10.
13.06.
- 24.11.
13.06.
- 08.12.
13.06.
- 01.12.
13.06.
- 01.12.
17.01.
- 17.05
28.11. 14.06.
Priority
diclosed
pedning (published)
issued
expected to be issued
www.eZelleron.de
7
eZelleron Financing Cycle
Status 01/2014
-20.000
Break even
-10.000
-5.000
0
time
Equity capital
5.000
10.000
eZelleron founded
15.000
„Valley of Death“
20.000
today
Revenue (k€)
-15.000
approx. 4 Mio. € needed
(incl. up to 30% grants)
Cash flow positive
www.eZelleron.de
8
Fuel Cell Markets
Requirements for the markets
1 GW
Power plant
Propulsion
Ships
1 MW
Power
Small Power
Plant
1 kW
CHP
APU Aircraft
Propulsion
Car
APU / Range
Extender Truck/Car
1W
stationary
moved
Mobility
mobile
Light
electric
vehicles
Camping / Leisure /
Military
Sensoric / Safety / Light
Emergency Power
portable
www.eZelleron.de
9
USPs
Unique selling points FMFC vs SOFC technologies
Operated with
Available Fuels
LPG, Propane, Diesel
Quick Startable
and Cyclable
for mobile applications
Leight Weight
extremly high
power density!!!
Low Cost
mass-production,
no noble metals!!!
www.eZelleron.de
10
Quick-Start-Demonstration
www.eZelleron.de
11
www.eZelleron.de
12
Products
Our way to market
Power-generators
Fuel Cells
eZell1
eZell2
eZell3
Stack / OEM
1-5 W
10-50 W
150-300 W
skalierbar
Power to Gas
Peak-load-storage
> 1 kW
www.eZelleron.de
13
Fuel Cell Markets
Requirements for the markets
1 GW
Power plant
Propulsion
Ships
1 MW
Power
Small Power
Plant
1 kW
CHP
APU Aircraft
Propulsion
Car
APU / Range
Extender Truck/Car
1W
stationary
moved
Mobility
mobile
Light
electric
vehicles
Camping / Leisure /
Military
Sensoric / Safety / Light
Emergency Power
portable
www.eZelleron.de
14
Energy Storage
Power Density (W/kg)
Comparisson
IC
Engine
Energy Density (Wh/kg)
www.eZelleron.de
15
Comparison
weight per time
www.eZelleron.de
16
Markets
Portable and Mobile Applications
Leistungsanforderung
APU
range
extender UAV
1000 W
LTEFunk
LEV
Scooter
500 W
Emergency
Power
Boats
Cargobike
E-Bikes
GSMFunk
Emergency
-Kit
Camping
Leisure
semistationär
mobil
portabel
Mobilitätsgrad
www.eZelleron.de
Status Technology
Market Proven
Zelle
2000
Forschung
2005
-TRL4
-TRL2
-TRL3
eZell1
Forschung
Entwicklung
2010
Entwicklung
Fertigungsentwicklung
-TRL9
TRL9
-TRL9
Market Ready
-TRL5
-TRL6
Fertigungse.
-TRL7
Produktion
-TRL8
TRL8
Entwicklung
-TRL5
-TRL6
-TRL9 Fertigungse. -TRL7
Produktion
-TRL8
Fieldtested
Forschung
Vermarktung +
Weiterentwicklung
Vermarktung +
Weiterentwicklung
-TRL8
TRL7
Stack
-TRL4
Prototype
Produktion
TRL6
-TRL7
Technology Model
-TRL4
TRL5
-TRL3
Labscale Model
-TRL3
TRL4
-TRL6
Proof of concept
-TRL5
TRL3
-TRL2
Conzept
-TRL2
TRL2
-TRL1
Idea
-TRL1
TRL1
-TRL1
today
Technology
readyness
Level (TRL)
Vermarktung + Weiterentwicklung
2015
2020
www.eZelleron.de
18
FMFC-Microtube
Structure
Cathode layer
Metal substrate (microstructure stabilized Ni)
Chemical reaction blocking layer (CRBL)
Electrolyte layer
Anode layer
www.eZelleron.de
19
FMFC Technologie
Herstellungsprozess
www.eZelleron.de
20
Technologie
Zellaufbau
www.eZelleron.de
21
Ceramic Processing Methods
Complexity of the workpiece
Rough summary
Uniaxial pressing
Hot Moulding
Cold isostatic pressing
Number of Units
www.eZelleron.de
Injection moulding
Influence of CIM-Parameters
Presented in 2012
www.eZelleron.de
Resulting microstructure
EPD, sintered at 1250 °C
Presented in 2013
1 µm.
www.eZelleron.de
24
Degradationsverhalten
Stack, 250 h -Test
Presented in 2013
14
12
10
P (W)
8
6
4
2
Temp.: 850 °C
Fuel: synth. Reformat
Oxidant: Air, AU: 15 %
Voltage: 0,7 V
0
www.eZelleron.de
25
Reasons
Status
•
Bad Conductivity of the current
collection layer
Presented in 2013
•
Degradation of the brazing solders
www.eZelleron.de
26
Hotbox
Partly Integrated System
Presented in 2013
www.eZelleron.de
27
Comparision of slurrys
with originally broad and narrow PSD
prior to centrifugation
1,2
0,6
0,9
0,4
0,6
0,2
0,3
0
10
100
1000
particle size, nm
BET ~ 40 m2/g
0
10000
cumulative function Qint
cumulative function Qint
sonication
0,8
1
1,5
sonication
0,8
1,2
0,6
0,9
0,4
0,6
0,2
0,3
0
10
100
1000
particle size, nm
BET ~ 12 m2/g
transf. density funct. q*int
1,5
transf. density funct. q*int
1
0
10000
www.eZelleron.de
28
Cermet Cathodes
Micro Structure
Porous silver layers on a FMFC
www.eZelleron.de
29
Cermet Cathodes
LSC
LSC/Ag Composit
LSC/Ag Composit after 100h
Spannung (V)
el. Leistung (W)
Stromdichte (A/cm2)
www.eZelleron.de
30
Cermet Cathodes
Ayhan Sarikaya, Vladimir Petrovsky and Fatih Dogan (Missouri University)
Journal of Materials Research / Volume 27 / Issue 15 / 2012, pp. 2024 2029
Spannung (V)
el. Leistung (W)
LSC
LSC/Ag Composit
LSC/Ag Composit after 100h
LSC/Ag Composit stabilized after 750 h
Stromdichte (A/cm2)
www.eZelleron.de
31
Massenproduktion der Zellen
Jede Stückzahl erhältlich.
•
•
•
•
•
billig
kompakt (47 x 3 mm / 1,7 g)
robust und schnellstartfähig
Sehr gut zyklierbar
angetrieben mit LPG (Propan/ Butan)
www.eZelleron.de
Cell in Stack Environment
850 °C
800 °C
750 °C
1,0
Voltage (V)
2,0
1,8
1,6
1,4
0,8
1,2
0,6
1,0
0,8
0,4
0,6
0,2
0,4
active area: 3,7 cm²
Fuel: 98 % H2, 2 % H2O, FU: 60 %
Oxidant: Air, AU: 15 %
electrical power(W)
Power losses
1,2
0,2
0,0
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
Current (A)
2,50
3,00
www.eZelleron.de
33
Fuel Utilisation
3,50
0,6 V
0,7 V
0,8 V
3,00
Current (A)
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Fuel Utilisation FU
www.eZelleron.de
34
Thermocycling Capability
electrical power(mW/cm²)
600
500
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800
1000
cycle Nr.
www.eZelleron.de
35
Stack Power
240,0
850 °C
800 °C
750 °C
20,0
200,0
160,0
12,0
120,0
8,0
80,0
4,0
40,0
Voltage (V)
16,0
0,0
0,00
5,00
10,00
15,00
electrical power(W)
24,0
0,0
20,00
Current (A)
www.eZelleron.de
36
Degradation behaviour
eZell3-Stack
16
1,5% Degradation per 750 h
14
Voltage (V)
12
10
8
Temp.: 850 °C
Fuel: H2, FU=65%
Oxidant: Air
Single Cell-Voltage: 0,7 V
Constant Current: 15 A
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
time (d)
www.eZelleron.de
37
Component Development
Start-burner / After-burner
Lanzenbrenner
(laminare Verbrennung)
+ Zündung und stabiler Betrieb mit offenem
Brenner im geplanten Leistungs- und
Luftzahlbereich möglich
-- Flammenstabilisierung im geschlossenen
Brennraum nicht erreicht
SSiC-Schaumkeramik
(Verbrennung im porösen Medium)
++ Zündung und stabiler Betrieb im geplanten Leistungsund Luftzahlbereich möglich (offen & geschlossen)
- axiale T-Verteilung ist zu optimieren (Di-, ppi-Variation)
- Standzeit der Schaumkeramik ist derzeit ungewiss
(ggf. Weiterentwicklung auf Materialebene)
www.eZelleron.de
38
System Architecture
SOFC vs. eZellerons FMFC
eZellerons FMFC
uses a simple
system-architecture:
fully integrated due to perfect
thermo-shock resistence
www.eZelleron.de
39
200 Watt Powerbox
Incl. Isolation and Housing
13,9 cm
5,6 cm
9,8 cm
www.eZelleron.de
40
Funded by the
www.eZelleron.de
eZell1
1 W cont., 5 W max
10,0 cm
3,0 cm
7,5 cm
Volume: 200 ml
Weight: 160 g (200 g fueled)
Power: 56 Wh
Re-fuler: 74 Wh / 90 g
www.eZelleron.de
43
eZell1 Designkonzept
Aufbau
Gehäusedeckel
Steuerungs- und
Leistungselektronik
Tank
Gehäuseunterschale
Akku
HotBox
Gehäuseoberschale
Brenngasventil und
Druckminderer
Lüfter
Nachfüllventil
Gehäuseboden
www.eZelleron.de
44
Smartphones
worldwide
www.eZelleron.de
45
Smartphones
China
www.eZelleron.de
46
Powerbanks in China
www.eZelleron.de
47
Competing Technologies
H2
LPG
Batterie /Power
Methanol
diverse, u.a.
Powerdensity
~600g/50Wh
200 g / 50Wh
650 g / 50 Wh
350 g / 50 Wh
Life Time
3.000 h
3.000 h
500 h
3.000 h
Costs
1.000 € -> 300 €
500 € -> 80 €
100 € -> 95 €
300 € -> 150 €
Charge time
60 min
1 min
480 min
1 min
Possible Failures
Risk by handling with
H2, Risc of freezing
Risk of overheating
Risk of freezing
Nerve Gas
commercial
> 1 year away
Heavy metal
Methanol
Low
Mid
Commercialisation
level
partly commercial
> 1 year away
Gefahrstoffe
Potential
Low
High
www.eZelleron.de
48
Mobile Markets
Fuel Cell Car
ADVANTAGES:
- Higher Efficiency = less fuel = less CO2
- No other polluting gases (NOx, SOx)
- No noise
- No moved parts, Low vibrations, Lightweight
- Technology Innovation Leadership
RISK
- Development Risc
- Development Cost
Diesel pro 100 km
Motor engine
7l
Motor hybrid
5l
eZell hybrid
3l
eZell engine
2l
eZell
Charge socket
Fuel Tank Battery
Reformer
Electric motor
www.eZelleron.de
49
Konzept für Primärantrieb
90 kW FMFC Generator
90 kW-Stackmodul
durch Zusammenbau
von qualitätskontrollierten
250 W Modulen.
Ähnliche Größe wie ein Motor
Ähnliches Gewicht wie ein Motor
www.eZelleron.de
50
Comparison
PEM, SOFC, eZelleron‘s FMFC
Feature
PEM
SOFC FMFC
Efficiency above 50 % possible


Operates on Hydrocarbons (LPG,…)


No Water Management needed (OT > 100 °C)


No Outside and Storage Temp. Limitation


Easy Fuel Processing


Easy System Architecture


Useable Waste Heat Temp.


No Noble Metalls needed (Price)


Power density above 0,3 kW/kg


Very good ruggedness (vibrations, …)


Start-up time below 1 Minute


More than 100 Cycles


www.eZelleron.de
51
Different Fuels
for Cars (incl. Tank)
Treibstoff
ct/kWh
kWh/kg Reformer
incl. Tank
H2 (800 bar) subventioniert
Ammoniak (NH3)
Methan (CH4)
Methanol (CH4O)
Ethanol (C2H6O) 90%
36
1,8
4
2,4
11
4,5
8
4,9
19
5,7 SR
8
9,9 POX
Benzin/Kerosin (C5H12-C9H20)
18
8,4 POX
Diesel (EU-Diesel)
14
9,5 POX
LPG (C4H10)
lokaly emission-free!
world-wide abailable!
Schwefelgehalt möglichst unter 3 ppm
www.eZelleron.de
52
Manufacturing Cost
Stack
FMFC €/kW
10.000,00 €
1.000,00 €
100,00 €
Partly Automation
10,00 €
Next Generation
1,00 €
Apr 12
Aug 13
Dez 14
Mai 16
Sep 17
Feb 19
Jun 20
Okt 21
www.eZelleron.de
53
Solar-Peak-Load P2G Conversion
www.eZelleron.de
54
Solar-Peak-Load P2G Conversion
www.eZelleron.de
55
100 Mio. EUR Funding
www.eZelleron.de
56
eZelleron
Conclusion
•
•
•
•
•
•
Feedstocks (mass production)
Cells (mass Production)
Stacks/HotBox (small series production, customer made solutions)
Gasbatteries (available in 2015 + customer made solutions)
Individual hybrid systems (customer made solutions)
Power to Gas Conversion (customer made solutions)
www.eZelleron.de
Cooperate with us!
Invest in us!
Dr.-Ing. Sascha Kühn
Managing Director / CTO
eZelleron GmbH
Winterbergstr. 28
01277 Dresden · Germany
tel.:
+49 351 250 88 78 - 0
mob.:
+49 176 13 93 55 - 10
fax:
+49 351 250 88 78 - 9
[email protected]
Funded by the
www.eZelleron.de
58
Copyright 2008-2011 eZelleron GmbH
Alle Rechte vorbehalten
•
•
•
•
•
•
Weitergabe und Vervielfältigung dieser Publikation oder von Teilen daraus sind, zu
welchem Zweck und in welcher Form auch immer, ohne die ausdrückliche
schriftliche Genehmigung durch die eZelleron GmbH nicht gestattet. In dieser
Publikation enthaltene Informationen können ohne vorherige Ankündigung geändert
werden.
Die von der eZelleron GmbH oder deren Vertriebsfirmen angebotenen Produkte
können Komponenten anderer Hersteller enthalten.
iPhone und iPad sind Marken der Apple Inc. (Cupertino, Kalifornien, USA)
SEGWAY ist eine Marke der Segway Inc. (Bedford, New Hampshire, USA)
eZelleron, go::batt 5, go::batt 125, go::batt 375 und weitere im Text erwähnte
eZelleron-Produkte und -Dienstleistungen sowie die entsprechenden Logos sind
Marken oder eingetragene Marken der eZelleron GmbH in Deutschland und anderen
Ländern weltweit.
Alle anderen Namen von Produkten und Dienstleistungen sind Marken der jeweiligen
Firmen
www.eZelleron.de

fueled by LPG or Diesel - Hydrogen fuel cells and battery exhibition

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