High performance coatings for PEM electrolyser metallic bipolar plates

Bakgrunn Bipolare plater (BPP) for PEM (Polymer Electrolyte Membrane) elektrolysører står for mer enn ¼ av de totale systemkostnadene. Kostbare materialer og prosessering bidrar til de ca EUR 600/kW. Når målet til både EU og DoE er å halvere denne kostnaden i løpet av de neste ~10 år må store kutt også tas i de bipolare platene. Ved 2030-målet er BPP-kostnaden i overkant av EUR 200/kW. Målsettingen for prosjektet var å kunne redusere denne betraktelig (opptil 80%), samtidig som beleggene og påføringsmetoden må være egnet for masseproduksjon. Dette ble gjort ved å benytte tynne stålplater som substrat, hvor den nødvendige strukturen stanses ut. Belegget må være korrosjonsbestandig for å beskytte mot det sure miljøet i elektrolysøren, samtidig må de lede strøm og ha lav kontaktmotstand til de andre komponentene. Aktører COATELY var et ERA-NET-prosjekt med partnere i Spania og Norge. Den finansielle støtte i Norge ble gitt av Forskningsrådet. De ledende oksid-materialene ble utviklet av CERPOTECH, mens videre bearbeiding til belegg og testing av disse ble utført av SINTEF.Utvikling av PVD-belegg basert på tantalum og indium-tin-oksid (ITO) ble i hovedsak utført av Tekniker, som under-kontraktør til Kendu/Sendotu. Sistnevnte fokuserte på oppskalering til nærmere masseproduksjon av prosessen og materialene. Disse platene ble også testet hos SINTEF, in-situ i en elektrolysecelle og ex-situ i et kontrollert miljø som etterligner forholdene i en celle. Samarbeidet mellom partnerne har fungert veldig bra. Statusmøter over internett har vært gjennomført en gang per måned. Resultater Produksjonskostnaden for BPP ved bruk av stål (material og stansing) er en størrelsesorden lavere enn EUs og USAs mål for 2030. Dvs selve platene kan fremstilles for mindre enn EUR20 per stykk. Ta-ITO-belegning ved PVD (physical vapor deposition) er beregnet til å koste under EUR 10 per plate. To plater må sveises sammen per celle og med en gjennomsnittlig ytelse på 3,5 W/cm2 blir totalkostnaden i underkant av EUR 20/kW. Foreslått prosess og material er dermed veldig lovende, men det gjenstår fortsatt litt arbeid før de tekniske kvalifikasjonene til konseptet er gode nok. Forsøkene med Ta-ITO på titan viser at belegget på anodesiden degraderer raskere enn referanseplatene med platina-belegg, som blant annet ser ut til at skyldes at noe av belegget er blitt borte under testen. Resultatene er likevel lovende med lav den kontaktmotstanden til selve materialet Ta-ITO. Det er også gjort forsøk med belegget på stålplater, men disse er ikke testet in-situ i en celle. Resultatene etter kjøring i simulert elektrolyse-miljø viser at det stilles ekstreme krav til hvor dekkende belegget må være. Små hull hvor stålet utsettes for surt miljø fører til relativt kraftig korrosjon og spredning av korrosjonsprodukter/ioner til resten av elektrolysecellen. Strategien for å løse dette har vært å jobbe med flerlags-belegg med forskjellige materialer og egenskaper. Optimale materialer ble ikke funnet i løpet av prosjektet. Komposittmaterialene viste høy ledningsevne, men i kombinasjon med forskjellige binde- og løsemidler ble kontaktmotstanden i belegget for høy. Videre arbeid med disse må først fokusere på optimalisere valg av materialer som passer godt sammen. Gjennom arbeidet med testingen har partnerne utviklet ytterligere kompetanse på testing av komponenter for PEM elektrolysører. For å redusere kostnadene og tiden slike forsøk tar, benyttes ofte ex-situ forsøksoppsett hvor miljøet og testbetingelsene etterligner det som er reelt i en celle under drift. Testprotokollene har blitt justert og forbedret underveis, slik at de nå er mer representative og reelle for å undersøke de egenskapene vi ønsker å se på hos BPP. Markedsstudien som ble gjennomført viste at det globale markedspotensialet for BPP for PEM elektrolysører kan bli opp mot 0,5 mrd EURO i 2030 og tidoble seg frem mot 2050. Betydning/nytteverdi Til tross for at ikke alle tekniske mål ble oppnådd er forskningen utført med de planlagte aktivitetene og i henhold til budsjett. Materialene og prosessutviklingen som er oppnådd i prosjektet er ikke kommersielt utnyttbart per nå. På generell basis har arbeidet tiltrukket seg stor interesse fra både akademia og industri. Interessen for temaet er stor og det har ikke vært mange tilsvarende offentlig støttede prosjekter før. Resultatene og testprotokollene kommer til å bli brukt som input i tilsvarende arbeid andre steder. Det gjenstår utvikling både på PVD- og kompositt-beleggene før de kan benyttes i elektrolysører. For begge er det et behov for ytterligere finansiell støtte for å videreutvikle og forbedre materialene. CERPOTECH og Tekniker har allerede fått innvilget et nytt prosjekt, men på et annet tema.

In order to be able to take full advantage of intermittent renewable energy sources, the energy needs to be stored. This energy can be stored as hydrogen, and later be converted to energy in fuel cells. The desired way to produce hydrogen is by water elec trolysis, and the most energy efficient system is the polymer electrolyte membrane electrolyser. A major obstacle for commercialization of PEM electrolysers is the expensive bipolar plates, which nowadays are made of titanium. The bipolar plate for a PEM electrolyser is very challenging compared to a PEM fuel cell because of the fact that the anodic potential is twofold. The proposed project has acknowledged the problem, and two highly innovative ways to both reduce cost and increase the total system perf ormance of the electrolyser is suggested. The COATELY project aims at developing a new generation of high performance coatings for cost-effective stainless steel BPP for PEM technology deposited by advanced coating techniques.