NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Dagens dominerende produksjonsmetode for hydrogen passer ikke for lokal produksjon i mindre skala. CIEPRO har fokusert på en ny type katalytisk membranreaktor basert på en keramisk protonleder - som integrerer dampreformering og vannskiftreaksjon, tilførsel av varme samt seperasjon og komprimering av hydrogen i en og samme reaktor. Denne teknologien gir en meget energieffektiv prosess og mulighet for enkel fangst av CO2 fra avgassen. Prosjektets hovedformål var å etablere teknologien og den bakenforliggende vitenskapen for kostnadseffektiv produksjon av slike reaktorer. En oppskalert hydrogenproduksjonsprosess krever en innovativ seriell og segmentert reaktor som sikrer elektrisk kontakt mellom de individuelle cellene. Prosjektet har utviklet en metall-glass-keram kompositt med høy elektrisk ledningsevne som brukes for å koble sammen de keramiske cellene, og integrert kompositten i en manifold som gjør det mulig å koble sammen flere celler både i parallell og serie. Gjennom prosjektet har koblingselementet blitt mer robust og kan nå brukes til å lage mer pålitelige koblinger mellom cellene, samtidig som motstanden har blitt redusert fra 35 til 10 mohm (målet ved prosjektets slutt var 50 mohm). De elektrokatalytiske elektrodene har blitt optimalisert til en total motstand på mindre enn 0,3 ohm cm2 (måltallet var 0,3) i dampreformeringsbetingelser. Den totale elektriske motstanden til hydrogenelektroden har blitt redusert ved å påføre en strømsamler med motstand 10 mohm cm-1, og en strategi som forhindrer uønsket kornvekst (som gir gassdiffusjonsproblemer) har blitt eksperimentelt bekreftet. I tillegg har prosjektet utviklet en nikkelholdig «pasta» som elektrisk kobler sammen hydrogenelektroden og koblingselementet samt fungerer som sekundær strømsamler. For å forbedre holdbarheten til hydrogenelektroden, så har prosjektet forsket på en alternativ fabrikasjonsmetode for denne. Metoden resulterer i en høyere tetthet av tre-fase punkter, som er gunstig for den elektrokjemiske ytelsen. Ved å separere mer enn 99% av hydrogenet som dannes i damp-reformingen reagerer mer enn 99.95% av metanet som tilføres reaktoren. I tillegg har vi elektrokjemisk komprimert hydrogen opp til 50 bar, som i sum demonstrerer kommersielle verdier for distribuert produksjon av hydrogen. De elektrokjemiske cellene har blitt koblet sammen ved hjelp av koblingselementer og forseglingskomponenter til en reaktor bestående av seks seriekoblede celler (målet var tre), og en hydrogenproduksjon på opp til 0,16 kg/dag ble demonstrert. Resultatene fra prosjektet gir grunnlag for videre forskning og utvikling av denne hydrogenproduksjonsteknologien i nye prosjekter som både ser på fundamentale aspekter og videre oppskalering.

An electrochemically driven protonic membrane reformer enables extraction of hydrogen from the reaction chamber to reach nearly-full equilibrium shift of reforming and water-gas shift reactions, and produces two separate gas products (high-purity hydrogen and wet CO2). The project has focused on the development of the interconnect and electrodes of the protonic membrane reformer, and lab testing has confirmed commercial performance levels for key parameters (catalytic activity, cell resistance, hydrogen flux). The practical implications can be summarized as: -simple, compact and modular system -high energy efficiency -minimization of CO2 emissions A more technical description of the impact of the results was published in Nature Energy (Malerød-Fjeld et al., Nature Energy 2 923 (2017)).

Ceramic proton conductors have the potential to become an essential part of future clean energy systems - from fuel cells to steam electrolysers and catalytic membrane reactors. The project gathers world-leading industry (CoorsTek), high research excellence institute (SINTEF) and university (UiO FASE) to develop innovative segmented-in-series proton conducting ceramic cells integrating novel composite glass-ceramic interconnects and nanostructured electrodes for stable operation of highly efficient steam methane reforming reactors. To tackle this ambitious objective, the project builds on the core expertise of the partners and addresses two distinct research activities underpinning the development of these novel reactors: hierarchically porous electrodes with a nanostructured porous network for improved catalytic activity confined in a macroporous network ensuring fast mass transport; and development of an integrated composite interconnect and seal ensuring dual functions of gas tightness and current collection between cells. The experimental approach will be based on advanced protocols combining soft-chemistry with ceramic processing routes. The resulting segmented-in-series cells will be tested in various operating conditions to define rate limiting factors and establish transport theory in these novel architectures operating in steam methane reforming conditions. The project runs for 3 years, trains 1 postdoctoral research fellow, fosters international collaboration with CSIC University in Spain and CoorsTek in Golden, USA, aims to establish new intellectual properties in various fields (manufacturing of nanostructured electrodes, sealing technology, reactor design) and will broadly disseminate the results of the project in high impact journals and at international conferences.