H2 production at IntermediAte temperAture

I AH2A prosjektet har SINTEF og UiO sammen med internasjonale partnere jobbet med å utvikle en protonledende elektrolysør med driftstemperatur på 600 °C for produksjon av hydrogen ved hjelp av varme og damp fra jordvarme og solenergi, eller spillvarme fra industrianlegg. Cellene består av tynne, og dermed billigere, cellekomponenter laget ved lavtemperatur syntesemetoder. Cellen er mekanisk støttet av et porøst metallsupport bestående av jern og krom, som også fungerer som transportmedium for strøm. Protonledende oksider har veldig høy sintringstemperatur, noe som i utgangspunktet er lite kompatibelt med smeltepunktet til metallet. Metallet tåler heller ikke lang tid ved høy temperatur i luft uten å oksidere. Hovedfokus i prosjektet har vært å utvikle en fremstillingsprosess for disse cellene. Vi har brukt lavtemperaturmetoder som spraying og pulset laser deponering (PLD) for å lage de tynne porøse og tette lagene cellen består av. I løpet av prosjektperioden har vi tilpasset komponentene i cellen for å redusere problemene med oppsprekking av den tynne protonledende elektrolytten under framstilling og drift. På vei mot målet, har vi utviklet og innlemmet en ny tynnfilm elektrolytt (BSZCY) med termisk ekspansjon som er mer lik de andre komponentene i cellen, og som dermed reduserer oppsprekkingen. Det er viktig at denne filmen er tett slik at den kun leder protoner at den ikke lekker oksygen. For å få en tett film har vi funnet ut at elektroden som den tynne elektrolyttfilmen deponeres på må forbedres. Vi har derfor, i samarbeid med en tysk partner i prosjektet, utviklet nanoporøse lag som fasiliteter en bedre struktur av den tynne elektrolytten. Vi har også funnet ut at ved å optimalisere betingelsene under deponering, vil spenningene mellom film og underliggende nanolag reduseres og filmen blir tett. Arbeidene beskrevet har resultert in en tett 1-2 mikrometer tykk elektrolyttfilm. Elektrolyttfilmen har høy ledningsevne og den totale motstanden av cella er også lav, noe om indikerer høy ledningsevne av elektrolytt og intermediære lag, samt god binding mellom lagene. Cellene har fortsatt problemer med lav stabilitet, noes om skyldes dårlig stabilitet av forsegling, samt noen svakheter i nanolaget under elektrolyttfilmen. Ved å teste cellens elektrokjemiske ytelse fant vi ut at det tynne elektrolyttlaget har lav motstand ved 600°C (under 0,4 ohm. cm2) og cellens totale cellemotstand er ca 1-2 ohm. cm2 ved 600 °C i hydrogen argon atmosfære. Videre ble en MS-PCEC-celle utarbeidet av den internasjonale partneren DLR, i samarbeid med UiO og SINTEF, vellykket testet under elektrolysebetingelser (cellens totale motstand ved 600 °C , 4 ohm. cm2). Så vidt vi vet er dette den første rapporten om metallstøttet protonledende elektrolysecelle.

Produced MS by tape casting + coating. Due to low conductivity/too high brittleness, commercial Plansee supports were used LSTN was used as SICL layer. Microstructure of LSTN was optimised. Roughness goals were achieved (< 2 µm). Electrical conductivity for LSTN is good in reducing atmosphere. The mechanical stability of LSTN nanolayer should be improved further Novel cell architecture New electrolyte with better TEC Better crystallinity of PLD layer (comp with METALLICA starting point) Produced button cells Delivered samples to SP3 Not done upscaling BGLC applied by brush painting or PLD has been used in AH2A. Pt paint + Pt net has been used as air electrode GLAD not possible due to technical limitation. Mica and aremco ceramic tested as sealant. Aremco worked best and was used Impedance spectroscopy of single cells gave an ASR of 1 ohm cm2 in humid harmix. A cell from DLR (with electrolyte from UiO) was tested in electrolysis mode. ASR is 4 ohm cm2 at 600 C

AH2A will contribute to develop a technology for sustainable utilization of renewable energy resources in Norway - while preserving the natural environment and ensuring security of H2 supply. Dry pressurized H2 will be produced from renewable energy sources for higher well to tank efficiency utilizing a proton conductor working at intermediate temperature. AH2A will further develop electrolyser cells based on the metal supported (MS) thin film of proton-conducting BaZr0.85Y0.15O3 electrolyte developed at SINTEF/UiO in the METALLICA project using pulsed laser deposition (PLD). AH2A will develop improved smooth intermediate conducting layers (SICL) and novel electrodes which is critical for the electrolyser assemblies working at 600 °C to reach a total resistance less than 1 ohm.cm2 for the cell. In addition air electrode with good electrochemical properties under high water vapor composition compatible with fabrication routes based on wet chemical - and vacuum methods. In collaboration with the international partners, the scalability will be demonstrated through the realization of 6 x 6 cm2 cells with optimized components using a novel PLD at SINTEF. Testing of these cells will be done to prove the target and investigate for possible long-term degradation issues under operation. These robust electrolysis cells with an overall low resistance will, when fully optimized, enable efficient production of H2 from water by renewable energy and waste heat from industry. This pioneering work will open new scientific and technological pathways for sound management of renewable sources and deployment of protonics technology within innovative SMEs. The project is coordinated by Dr. Marit Stange, SINTEF with support from UiO. It trains one post-doc at UiO, has a budget of 10,233 MNOK and lasts 3 years.