Metal supported proton conducting electrolyser cell for renewable hydrogen production

Høytemperaturelektrolyse (HTE) av damp gir høyere virkningsgrad ved konvertering av fornybare energikilder til hydrogen enn andre former for lavtemperaturelektrolyse når den kobles til en ekstern fornybar varmekilde fra sol- eller jordvarmeanlegg (temperatur 200-600 °C). HTE-teknologi utviklet til dags dato er basert på faststoffoksid-elektrolyseceller (SOEC) med oksygenioneledende elektrolytter som opererer ved 700-1000 °C, noe som krever en ytterligere oppvarming av dampen. I METALLICA-prosjektet har fokuset vært utvikling av HTE-teknologi basert på nye metall-støttede protonledende elektrolytter som opererer ved 600 °C for effektiv bruk av varme og damp fra geotermisk, sol- eller overskuddsenergi fra industrianlegg. En annen fordel sammenlignet med en SOEC-celle er produksjon av tørr hydrogen. SINTEF og UiO utvikler høytemperatur protonledende keramiske elektrolyseceller (PCEC) med en meget tynn protonledende elektrolytt BZY (BaZr0.85Y0.15O3) deponert av tynnfilmfabrikrikasjonsmetoden pulsed laser deposition (PLD). De tynne funksjonelle filmene sammen med metallsupportet tillater redusert driftstemperatur, ~ 600 °C. Hovedutfordringene når det gjelder fremstilling av metallsupportede celler har vært knyttet til restriksjonene i sintringstemperaturen og atmosfæren fremkalt av metallsupporten, samt strenge krav til porøsiteten av substratene som brukes til deponering av de tynne filmene. I METALLICA ble metallsupport for plane MS-PCEC produsert ved hjelp av tape-casting av lavkost ferritisk stål. Et belegg som beskytter metallsupporten mot oksidasjon ble påført og et ledende bufferlag av La0.5Sr0.5Ti0.75Ni0.25O3-d (LSTN) ble deponert før deponering av tynne funksjonelle lag. Både BaZr0.85Y0.15O3-NiO (BZY15-NiO) katoden og BaZr0.85Y0.15O3 (BZY15) elektrolytt ble deponert ved PLD ved henholdsvis 700 °C og 600 °C. Elektrokjemisk testing viste noe høyere cellemotstand enn ønskelig, noe som indikerer at celleforbedringer er nødvendig. Så vidt vi vet er dette første gang metall-supportede elektrolyseceller basert på protonledende oksider er blitt framstilt, og gjennom dette arbeidet er det gjort viktige fremskritt i bruk av metallsupport og tynne filmer i plane PCEC.

The METALLICA project aims at developing new knowledge and cutting edge solutions to achieve sustainable integration of high temperature steam electrolysis technology in geothermal or solar plants by exploiting the international leading expertise of Norwe gian's academia and research institutes in protonic ceramics. The METALLICA project will develop a clean technology based on novel alloy supported proton conducting electrolytes (PCEC) operating at 600°C for efficient use of heat and steam supplied by geo thermal or solar plants. Proof-of-concept of co-electrolysis of steam and CO2 will also be demonstrated as a further pathway for integration of PCEC in industrial processes. The robust cells will be produced by a combined process developed at SINTEF and U iO making use of wet ceramic processing for producing alloy sustrates and side electrodes, and pulse laser deposition for low temperature deposition of dense cristalline electrolytes. In collaboration with international partners, the scalability of this p rocess will be demonstrated in a two-step approach with firstly the production of button cells with non-optimized electrodes and secondly the realization of 6 x 6 cm2 cells with optimized components using a novel powerful PLD recently acquired at SINTEF. Testing of these cells will be carried out to guide materials, microstructures and architectures optimization, and to determine rate limiting steps as function of cell's operating parameters. This pioneering work will open new scientifical and technologic al pathways for sound management of renewable sources and deployment of protonics technology with innovative SMEs. The project is coordinated by Dr. Marie-Laure Fontaine at SINTEF with support from UiO. It trains one post-doc at UiO, lasts 3 years and h as a budget of 12.8 MNOK.