Catalytic layers for advanced rotary alkaline water electrolysers

Hydrogen er en industrigass som i dag hovedsakelig lages av fossile hydrokarboner. Hydrogen kan også lages av vann og strøm i en elektrolysør. Hvis strømmen er fornybar, blir også hydrogenet fornybart. Produksjon av strøm fra sol og vind øker kraftig. Hele kraftmarkedet er i endring, mye strøm er tilgjengelig og prisen er synkende. Dette åpner muligheten for lagring og konvertering. Her kommer elektrolysører til å bli sentrale. Elektrolysøren har en investeringskost som er viktig, men virkningsgraden som bestemmer energiforbruket og driftsutgiftene til produksjonen er like viktig. Produksjon fra fossile kilder er sentralisert og et distribusjonsnettverk i form av rør, tankbiler og flasker er i bruk for å frakte hydrogenet til sluttkunden. Dette skaper et logistikkledd som øker kostnadene. Samtidig kan det i situasjoner være problematisk å lagre større mengder hydrogen på lokasjoner i påvente av forbruk. Hydrogenfyllestasjoner er et eksempel på et sted hvor produksjon på stedet kan gi mening. Energien fraktes til stasjonen i form av elektrisitet og brukes på stedet til å dele vann til hydrogen og oksygen. En fyllestasjon er også et sted hvor forbruket ikke er jevnt. Deler av denne variasjonen kan glattes ut med et lager, men en elektrolysør som kan kjøres raskt opp og ned samt startes og stoppes ofte er fordelaktig. En slik type kjøring er utfordrende, og dette prosjektet er en del utviklingsarbeidet for å forstå detaljene i utfordringen og bygge grunnlaget for løsningene. De viktigste FoU-oppgavene i prosjektet ble utført av en postdoc ved NTNU, Department of Materials Science and Engineering. Arbeidet gikk ut på å karakterisere utvalgte materialer og aktiveringer elektrokjemisk under supergravity eller kunstig høy gravitasjon. Den høye gravitasjonen ble skapt ved å bruke en spesialbygd sentrifuge. Målingene som ble gjort bekreftet den positive effekten av kunstig høy gravitasjon. Effekten ble testet ut ved forskjellig grad av gravitasjon og strømtetthet over tid som ga ny kunnskap om feltet. En virkning av prosjektet har vært kompetansehevning innad i Nel. Kontakten med prosjektpartneren NTNU har gitt innsikt i universitetets vitenskapelige metoder og ressurspersoner har vært til inspirasjon for adferd og praksis innen R&D. Alle testene som er utført er dokumentert og en god basis for videre testing og utvikling av design.

An effect of the project has been competence development in Nel. The contact with the research partner NTNU has given an insight in the university scientific method and key personnel has been an inspiration for behavior and best practice in R&D. An impact of the project is that Nel will pursue new projects with university partners to increase and continue the competence development. The R&D results from this project are already a part of the future market and product development strategy of Nel.

The proposed work will pursue the development of a rotary water electrolyser. Water electrolysis is a process for producing hydrogen and the by-product oxygen. Hydrogen is a valuable commodity for use in a number of industries which account for much of the current annual world sales of NOK 600 million/year of electrolysis equipment. More prominently as a fuel in an energy system based on an energy mix containing a large share of intermittent renewable energy sources (solar, wind, wave), and this is expected to double the sales by 2020. NEL aims at a 30 % share of this emerging market. A major challenge for hydrogen production via water electrolysis is energy efficiency. The energy efficiency is hampered by the very product of the process, i.e. formation of gas bubbles at the electrode surfaces. These bubbles reduce the available area for the electrochemical reaction and reduces the utilization of costly catalysts necessary for the process to reduce losses, and equally important they also introduce resistance losses in the electrolyte. A solution to this problem is to rotate the electrodes thus utilizing centrifugal forces to transport gas more efficiently away from the electrodes. The method has been demonstrated in practice, and NEL has secured exclusive rights to this novel development in water electrolysis. However, rotating electrodes will introduce new problems and uncertainties associated with catalytic layers in water electrolysis associated with the catalytic properties under super-gravity conditions and even more significantly with catalyst erosion. As very little is known about these important aspects of rotary water electrolysis we therefore propose here an investigation into these issues. The project will thus bridge the latest scientific developments with a focused industrial effort. The project targets efficiency of 4 kWh/Nm3H2 which will enable the NEL company to compete efficiently in the rapidly developing hydrogen market.