FCH JU High temperature electrolyser with novel proton ceramic tubular modules of superior efficiency, robustness, and lifetime economy

Høytemperatur-elektrolysører (HTE) kan produsere H2 effektivt ved å anvende strøm og vanndamp fra fornybare energikilder som sol, geotermisk energi og kjernekraft, samt fra andre industriprosesser. CO2 kan også co-elektrolyseres for å produsere syntesegass og brensel. Tradisjonelle faststoff-oksid elektrolyseceller (SOE) produserer våt H2 på vanndampsiden. I kontrast vil ELECTRA utvikle en proton-keramisk elektrolysecelle (PCE) som produserer og trykksetter tørr H2 direkte. Delaminering av elektroder pga. O2 overtrykk vil være et mindre problem i PCE. Protonlederen er basert på teknologi-ledende Y-dopet BaZrO3 (BZY) eller Ba(Zr,Ce)O3 (BZCY) laget ved reaksjonssintring for å danne tette filmer med store korn, lav korngrensemotstand og høy stabilitet og mekanisk styrke. En PCE er også godt egnet til å redusere CO2 til syntesegass i såkalt co-ionisk modus. Eksisterende HTE-teknologi anvender en plangeometri som gir høy pakketetthet, men den har også høytemperatur-forsegling og systemsårbarhet hvis én enkeltcelle bryter sammen som kan føre til begrenset holdbarhet og levetidsøkonomi. ELECTRA anvender i stedet segmenterte rørceller, montert i en innovativ modul med kaldforsegling som muliggjør overvåkning og erstatning av enkeltrør fra den kalde enden. Prosjektet har som mål å teste en multi-rør-modul i kW-størrelse som produserer 250 L/time H2, samt CO2 til syntesegass co-elektrolyse med DME produksjon. ELECTRA er et EU FCH JU prosjekt med 7 partnere (4 SME/industri). Det er koordinert av Universitetet i Oslo og har løpt tre år. Rørene som benyttes i prosjektet er utviklet gjennom tre designgenerasjoner med økende elektrokjemisk ytelse og bærekraftig storskalaproduksjon, men også kompleksitet. Elektroder og elektrolytt påføres via spraying/dypping. ELECTRA vektlegger utvikling av H2O-O2 elektroden og dens strømsamler. Produksjonen av førstegenerasjons rørceller har blitt videreutviklet og optimalisert gjennom prosjektet, hvor tette og defektfrie halv-celler laget ved co-sintring av en BZCY elektrolytt deponert (ved spray eller dypping) på en porøs Ni-BZCY elektrode. Deretter blir anode og strømoppsamler påført i et separat prosesserings-steg. Andre-generasjons rør-celler er korte seriekoblede rørsegmenter som kan redusere utfordringen forbundet med strømoppsamling langs rørets lengde. Dette konseptet har blitt utviklet og verifisert i ELECTRA, og anses som egnet for å oppnå en god moduleffekt, men kan være utfordrende å skalere opp til masseproduksjon. Tredjegenerasjons rørceller bruker porøse BZY rør som utgangspunkt, hvorpå segmenter av katode, elektrolytt, anode og elektrisk sammenkobling sekvensielt deponeres for å oppnå en seriekobling langs rørets lengde. Denne generasjonen er antatt å gi god moduleffekt, samt effektiv masseproduksjon. Ved optimalisering av fabrikasjonsbetingelsene og utvalgte material-sammensetninger har vi lykkes i å oppnå reproduserbare halv-celle-segmenter med en porøs Ni-BZCY katode og en tett BZCY elektrolytt deponert og sintret på et porøst BZY rør. Videre arbeid innebærer deponering av anode og elektrisk sammenkobling for å få en komplett og gasstett elektrolyse-celle som kan testes for produksjon av hydrogen. Utvikling av nye og forbedrede anodematerialer for elektrolysører er ett av hovedmålene i ELECTRA. En rekke materialer ble derfor undersøkt med tanke på kompatibilitet med BZCY og deres stabilitet under høye vanndamptrykk. (La,Sr)MnO3 og (Ba,Gd,La)Co2O6 (BGLC) ble identifisert som gode og stabile kandidatmaterialer. BGLC har videre blitt testet som anode både på tablett-prøver og på korte andre-generasjons rørceller ved bruk av elektrokjemisk impedansspektroskopi. Areal-spesifikke motstander godt under 1 ohm*cm2 har blitt oppnådd under realistiske elektrolysebetingelser, som oppfyller målet satt for dette prosjektet. Komplette elektrolyseceller med BGLC/BZCY kompositt-anoder har videre blitt testet ved vanndamptrykk på 1,5 og 4 bar, hvor en strømtetthet på 200 mA/cm2 ble oppnådd ved et cellepotensial på 1,6 V, og med en faradaisk effektivitet over 90 %. En multi-rør modul for 18 rør med mulighet for individuell overvåkning, frakobling og utskiftning er utviklet, konstruert og testet. Det er utviklet flytskjemaer for analyse av integrasjonen av varme og elektrisitet fra forskjellige fornybare energikilder i elektrolyseprosessen, som videre anvendes i tekno-økonomiske analyser. Disse danner basis for en evaluering av hvorvidt høytemperatur protonledende elektrolysører kan være en fordelaktig teknologi med tanke på varme og energibalanse i større kraftverk basert på geotermisk energi eller solvarme. Masse-produserte PCE vil med egnede varmekilder for damp-elektrolyse kunne konkurrere med for eksempel alkalisk vann-elektrolyse.

High temperature electrolysers (HTEs) produce H2 efficiently utilising electricity from renewable sources and steam from solar, geothermal, or nuclear plants. CO2 can be co-electrolysed to produce syngas and fuels. The traditional solid oxide electrolyser cell (SOEC) leaves wet H2 at the steam side. ELECTRA in contrast develops a proton ceramic electrolyser cell (PCEC) which pumps out and pressurises dry H2 directly. Delamination of electrodes due to O2 bubbles in SOECs is alleviated in PCECs. The proton conductor is based on state-of-the-art Y:BaZrO3 (BZY) using reactive sintering for dense large-grained films, low grain boundary resistance, and high stability and mechanical strength. A PCEC can favourably reduce CO2 to syngas in co-ionic mode. Existing HTEs utilise the high packing density of planar stacks, but the hot seal and vulnerability to single cell breakdown give high stack rejection rate and questionable durability and lifetime economy. ELECTRA uses instead tubular segmented cells, mounted in a novel module with cold seals that allows monitoring and replacement of individual tubes from the cold side. The tubes are developed along 3 design generations with increasing efforts and rewards towards electrochemical performance and sustainable mass sc ale production. Electrodes and electrolyte are applied using spraying/dipping and a novel solid state reactive sintering approach, facilitating sintering of BZY materials. ELECTRA emphasises development of H2O-O2 anode and its current collection. It will show a kW-size multi-tube module producing 250 L/h H2 and CO2 to syngas co-electrolysis with DME production. Partners excel in ceramic proton conductors, industry-scale ceramics, tubular electrochemical cells, and integration of these in renewable energy schemes including geothermal, wind and solar power. The project counts 7 partners (4 SMEs/industry), is coordinated by University of Oslo, and runs for 3 years.