Neuigkeiten aus dem Forschungslabor

Aenert. Research Laboratory news
Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sind eine neue Technologie zur Umwandlung chemischer Energie in Elektrizität. Aufgrund intensiver Forschungsanstrengungen zur Erhöhung der Stabilität und Leistung von SOFCs erfährt die SOFC-Technologie weltweit ein schnell wachsendes Interesse. Die Elektrolyse ist derzeit die vielversprechendste Methode zur Wasserstoffproduktion aus Wasser, da sie im Vergleich zu thermochemischen und photokatalytischen Methoden eine hohe Umwandlungseffizienz und einen relativ geringen Energieaufwand aufweist. Festoxid-Elektrolysezellen laufen im regenerativen Modus, um die Elektrolyse von Wasser (und/oder Kohlendioxid) zu erreichen, indem sie einen Festoxid- oder Keramikelektrolyten verwenden, um Wasserstoffgas (und/oder Kohlenmonoxid) und Sauerstoff zu erzeugen. Die allgemeine Funktion der Elektrolysezelle besteht darin, Wasser in Form von Dampf in reines H2 und O2 aufzuspalten. Der porösen Kathode wird Dampf zugeführt. Unter dem Einfluss von Dampf wandert es zur Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt und wird zu reinem H2 und Sauerstoffionen reduziert. Das Wasserstoffgas diffundiert dann wieder nach oben durch die Kathode und wird an ihrer Oberfläche als Wasserstoffbrennstoff gesammelt, während die Sauerstoffionen durch den dichten Elektrolyten geleitet werden.
Jetzt (2023), hat OxEon Energy mit Unterstützung von NETL auf die extraplanetare Forschung der NASA zurückgegriffen, um ein stabiles, robustes und kostengünstiges System zu schaffen, das in der Lage ist, Wasserstoff bei hohem Druck zu produzieren, was bedeutet, dass saubere Energiegeräte bald für die Kommerzialisierung bereit sind. Ziel von OxEon war der Bau einer Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC), die Wasserstoff bei erhöhtem Druck von 2 bis 3 bar erzeugen kann. SOECs funktionieren ähnlich wie Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), jedoch umgekehrt: Sie erzeugen Wasserstoff, indem sie ihn mithilfe von elektrischem Strom aus Wasser abspalten.

Dieses Projekt widmete sich der Bewältigung gemeinsamer Herausforderungen, mit denen die SOEC-Branche konfrontiert ist. Durch die Modifizierung von Prozess- und Zellkomponenten gelang es ihnen, eine verbesserte Zellleistung und -stabilität, eine Oxidationsrückgewinnung der Brennstoffelektrode, eine Leistungsstabilität durch thermische Zyklen und eine Bewertung der Auswirkungen von Verunreinigungen zu erreichen.

Die Forschung bestand darin, einen Stack 1.800 Stunden lang zu testen und dabei zwischen SOEC- und SOFC-Betriebsmodi zu wechseln. Die Abbaurate betrug im SOEC-Modus 0,6 % pro 1.000 Stunden und im SOFC-Modus 0,3 % pro 1.000 Stunden. Die SOEC-Elektrode wurde auch im Pacific Northwest National Laboratory getestet, indem sie über Nacht Dampf ausgesetzt wurde, um die Nickelkomponente vollständig zu oxidieren. Das Team konnte die Zellleistung vollständig wiederherstellen, indem es einfach Spannung anlegte, ohne externes Wasserstoffgas bereitzustellen, und so die Wiederherstellung durch Oxidation demonstrieren. Es wurde festgestellt, dass es von größter Bedeutung ist, das Nickel in der Wasserstoffelektrode in einem metallischen Zustand zu halten, damit es sich nach der Oxidation durch selbst erzeugten Wasserstoff erholen kann. Früher konnte eine Unterbrechung oder Störung der Bedingungen im Rückführungskreislauf zu einer dauerhaften, irreparablen Oxidation der Brennstoffelektrode führen.

Eine weitere wichtige Errungenschaft der Forschung bestand darin, dass die strontiumhaltige Schicht im SOEC-Stack entfernt werden konnte, während die gleiche anfängliche Elektrodenleistung erhalten blieb, da Strontiumausfällung, -migration und -reaktion mit anderen Zellkomponenten bekannte Abbaumechanismen für den SOFC/SOEC-Betrieb sind. Tests über mehrere Tage zeigten außerdem einen geringeren Abbau als bei Zellen, die Strontium enthielten.

Darüber hinaus kombinierte ein getesteter SOEC-Stack die verbesserte Brennstoffelektrode und die strontiumfreie Schicht auf der Sauerstoffelektrode. Der Stapel zeigte nach der Oxidation der Brennstoffelektrode auf Nickelbasis eine vollständige Wiederherstellung der Leistung, ohne dass die Anwesenheit von Wasserstoff im Dampfeinlass erforderlich war. Nach fünf oxidativen Erholungszyklen wurde der Stapel fünfmal einem tiefen thermischen Zyklus von der Betriebstemperatur auf Raumtemperatur unterzogen. Der Stapel zeigte nach jedem Wärmezyklus keinen Leistungsverlust und behielt die Eigenschaften einer geringen Degradation bei.

Wissenschaftler arbeiten ständig daran, neue Methoden zur Wasserstoffproduktion zu finden. Im Jahr 2022 wurde die elektrochemische Hochtemperatursynthese (600°C) von Ammoniak aus N₂ und H₂O bei Atmosphärendruck in Reaktoren vom Typ Festoxidelektrolysezelle (SOEC) analysiert. Die Auswahl des katalytischen Materials für die Arbeitselektrode erwies sich als eine der wichtigsten Herausforderungen bei elektrochemischen Prozessen. In dieser Studie wurde eine Verbundkathode untersucht, die aus einer Perowskitoxid- und einer Eisenoxynitridphase besteht. Beide Phasen wurden mithilfe von XRD, XPS, Mössbauer-Spektroskopie, TPD/TPRxn und elektrischen Leitfähigkeitstechniken mit 4 Sonden gründlich charakterisiert. Die Experimente zur elektrokatalytischen Aktivität wurden an der Perowskitoxidphase und der Verbundkathode durchgeführt, um die Auswirkung der Verwendung einer Verbundelektrode auf die Aktivität der Zelle zu untersuchen.

Image: XRD patterns of LSF72, LSF82 and LSF92



Source: Seval Gunduz, Dhruba J. Deka, Matt Ferree, Jaesung Kim, Jean-Marc M. Millet, Anne C. Co and Umit S. Ozkan/ Composite Cathodes with Oxide and Nitride Phases for High-Temperature Electrocatalytic Ammonia Production from Nitrogen and Water/ ECS Advances, Volume 1, Number 1, 28 April 2022/ DOI 10.1149/2754-2734/ac6618/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Im Jahr 2022, analysierten Wissenschaftler den Aufbau und das Testprotokoll für die Leistungsbewertung metallgestützter Festoxidelektrolysezellen (MS-SOEC) von Knopfzellen. Die Ziele dieses Verfahrens bestanden darin, ein Standardtestprotokoll zu definieren, die Materialauswahl zu beschreiben und häufige Fallstricke beim Testen von MS-SOEC-Knopfzellen zu identifizieren. Die Tests umfassten Vorbereitungs- und Betriebsdetails speziell für MS-SOECs, eine Diskussion über Dichtungs- und Prüfstandmaterialien, alternative Dichtungs- und Startprotokolle für einen Metallprüfstand mit Glasdichtung oder einen Aluminiumoxid-Prüfstand mit Keramikklebstoffdichtung sowie eine Diskussion darüber die Folgen eines nicht normalen Betriebs.

Im Mittelpunkt der Forschung stand der reproduzierbare Betrieb von MS-SOEC-Knopfzellen unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Eine vorgefertigte metallgestützte Festoxid-Elektrolysezelle wurde auf der Seite der Dampfelektrode mit einem Platin- oder Nickelnetz mit leitenden Drahtleitungen verbunden. Anschließend wurde die Zelle auf einem Prüfstand versiegelt (typischerweise mit Glaspaste oder Keramikkleber). Wasserstoff wurde auf einen bestimmten Dampfgehalt befeuchtet und über ein beheiztes Rohr dem Prüfstand zugeführt. Anschließend wurde das MS-SOEC betrieben.

Image: Schematic and photograph of a MS-SOEC test setup with a heated bubbler as the humidification system



Sources: Fengyu Shen, Martha M. Welander, Michael C. Tucker/ Metal-Supported Solid Oxide Electrolysis Cell Test Standard Operating Procedure/ Front. Energy Res., Sec. Process and Energy Systems Engineering, Volume 10 – 2022, 25 April 2022/  https://doi.org/10.3389/fenrg.2022.817981/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Aus der Wasserstoffproduktion durch SOEC ergeben sich mehrere Vorteile: Die Zelle verfügt über eine verbesserte Leistung und Stabilität, die den Anforderungen gerecht wird, die zur Erfüllung der Kosten- und Leistungsziele des US-Energieministeriums erforderlich sind, einschließlich der Erreichung von 40.000 Betriebsstunden. Außerdem zeigen diese schrittweisen Verbesserungen der Basisleistung einen Weg zu einer kostengünstigen Wasserstoffproduktion auf.

Angesichts der Energiekrise sind kostengünstige Möglichkeiten zur Wasserstoffproduktion von großem Interesse und hoher Nachfrage. Die internationale Forschung leistet ihren Beitrag, den Anforderungen einer wachsenden Wasserstoffwirtschaft gerecht zu werden.

Von der Redaktion