Hochtemperatur-Wasserelektrolyse Ergebnisse aus dem EU-Projekt Hi2H2

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1 ochtemperatur-wasserelektrolyse Ergebnisse aus dem EU-Projekt i Dr. Günter Schiller, DLR Stuttgart NOW Workshop Regenerativer Wasserstoff aus der Elektrolyse Ulm, 7. Juli NOW-Workshop, Ulm,

2 Thermodynamik der Elektrolysereaktion i Quelle: Schnurnberger, W., Wittstadt, U. and Janßen,. (004) Wasserspaltung mit Strom und Wärme. In: Themenheft 004: Wasserstoff und Brennstoffzellen - Energieforschung im Verbund, url: NOW Workshop, Ulm,

3 Motivation - Thermodynamik der Elektrolysereaktion Zum Vergleich: Alkalische Elektrolyse von Wasser bei C Zersetzungsspannung 1,9 -,3 V Stromverbrauch rund 4,5-5,5 kwh/m 3 bei 30 bar (Zdansky-Lonza-Verfahren) etwa 0% weniger Quelle: Schnurnberger, W., Wittstadt, U. and Janßen,. (004) Wasserspaltung mit Strom und Wärme. In: Themenheft 004: Wasserstoff und Brennstoffzellen - Energieforschung im Verbund, url: 3i Project Meeting, Risø, September 0, 006 Institute for Technical Thermodynamics > Electrochemical Energy Technology

4 EU-Projekt i ighly Efficient igh Temperature ydrogen Production by Water Electrolysis i Projektziele: Demonstration der Eignung der planaren SOFC-Technologie für den Einsatz in der T-Wasserelektrolyse mit Sinterzellen mit -Elektrode als Tragestruktur (Risoe/DTU, EIfER) Plasmagespritzte Zellen mit Metallsubstrat als Tragestruktur (DLR) Analyse der Degradationsmechanismen und der Einsatzgrenzen von SOFC-Zellen im Elektrolysebetrieb Entwicklung neuer Materialien für korrosionsbeständige T- Elektrolyseure Betrieb eines -Zellen-Shortstacks über 000 h mit Degradation <1%/1000 h bei -0,3 A/cm NOW Workshop, Ulm,

5 Project achievements Single cell I/V curves at 950 C Extremely high current density and high performance i WORLD RECORD! 1.49 V at A/cm Cell voltage [V] C 70 vol.% O/30 vol.% C 50 vol.% O/50 vol.% i [A/cm ] ASR O electrolysis at 950 ºC: 0.14 Ω cm - ASR O electrolysis at 850 ºC: 0.0 Ω cm - Cell active area: 16 cm S.. Jensen, P.. Larsen, and M. Mogensen, International Journal of ydrogen Energy, 3, (007) NOW Workshop, Ulm,

6 i Project achievements Single cell i 1,4 1, Cell voltage / V 1,0 0,8 0,6 0,4 Solid Oxide Electrolyser Cell at 800 C with 50 O vol.% and A.cm - (47% of O to conversion) 0, Time / h Cell degradation: 1.14 => 1.16 V : 1.7% Cell degradation < %/1000 h A. Brisse, M. Marrony, D. Perednis, J. Schefold, M. Jose-Garcia, M. Zahid, Proceeding at the World ydrogen Technology Convention, (007). NOW Workshop, Ulm,

7 SRU-sealed mode: Glass sealant i Without pre-treatment Solid Oxide Electrolyser Cell at 850 C with 50 O vol.% and -0.5 A.cm - (8% of O to conversion) A. auch, S Jensen, J.B. Bilde-Sorensen, and M. Mogensen, Journal of the Electrochemical Society, 154, pp. A619-A66, (007). Pre-treatment Glass sealing exposed to 18 l/h O and l/h O at the Ni/YSZ side for 1 days at 950 C NOW Workshop, Ulm,

8 Project achievements SRU with protective coatings 1.4 SRU with protective coating i 1. cell voltage / V Single cell 800 C with 50 O vol.% and -0.5 A.cm Time / h Increase of 40 mv compared to the single cell voltage Similar degradation of the protected SRU than the single cell Stable behaviour the protective coating NOW Workshop, Ulm,

9 igh Temperature Electrolyser Stack at 800 C with 50 O vol.% and -0.3 A.cm - (47% of O to conversion) i 8 7 Voltage, V vol.% Steam 70 vol.% Steam cell1v cellv cell3v cell4v cell5v overallv Cell5 Cell1 1,5 1,0 0, Time, h 3500 hrs of operation without stack failure ~ 15%/1000 h of degradation during the first 000 hrs Stack degradation is mainly attributed to cells 1 and 5 (bottom and top cells respectively) Decrease of the degradation (~ 6%/1000 h) after the steam content increase NOW Workshop, Ulm,

10 Überblick über beim DLR getestete Zellen i Nomenclature Substrate BekNi 74-3 Ni-Felt BekNi 75-3 ITV3_ ITV3_06070 ITV_ IT 16 IT 15 IT 100 IT 18 IT 8 IT 4 and IT 5 IT 5 IT 7 IT11 Barrier layer Cathode LSM Screenpr. LSM Screenpr. LSM Screenpr. LSM Screenpr. VPS LSM Screenpr. VPS LSM Screenpr. VPS LSM Screenpr. VPS LSCF VPS PVD LSCF VPS VPS LSCF VPS PVD LSM VPS PVD LSM VPS Period Comment Fuel Cell Mode Electrolysis Mode Variations x x 50/70% 30 h x x 1 h Long-Term Measurement Air cut off x x 114 h, 0.0 Acm - Reduction, Reference Performance Collapse Canceled due to Thermocycle and Restart Problems Reduction, Reference Furnace Breakdown Reduction, Reference Completely Plasmasprayed.06.- Interconnect Measurements Reduction, Reference Interconnect Measurements x x x x x x 50-90% Temp. EIS ocv loaded Polished Micrograph Section Further 50 h, 0.0 Acm - 98 h, 0.15 Acm - x 36 h, 0.15 Acm - x x 75 h, 0. Acm - to EMPA Investigation to EMPA, Linescan to EMPA Fractured, Point/EDX 166 h, 0.15 Acm - x x to EMPA 10 h, 0.5 Acm - x x Temp. >00 h, 0.3 Acm - x x x Temp. 400 h, 0.3Acm - x x x 115 h, 0.3 Acm - x NOW Workshop, Ulm,

11 Metallographischer Querschliff einer VPS-Zelle mit Diffusionssperrschicht i LaSrMnO 3 -cathode 8YSZ-electrolyte 8YSZ-electrolyte Ni/8YSZ-anode La 0.7 Sr 0.15 Ca 0.15 CrO 3 -barrier layer Porously sintered ferrite plate NOW Workshop, Ulm,

12 U-i-Kennlinien von Zelle IT8 im Brennstoffzellenund Elektrolysebetrieb als Funktion der Temperatur i 1, ,3 500 cell voltage U in V 1, 50 1,1 p(i) 1-19h, 800 C h, 750 C -50 0,9 U(i) 3-199h, 850 C , , ,6-150 Gasflow = 40/16//160 smlpm/cm² /O//Air (30% Steam) 0, current density i in ma/cm² power density p in mw/cm² NOW Workshop, Ulm,

13 Langzeitverhalten von Zelle IT8 im Elektrolysebetrieb i voltage in V, po in atm 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1, 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 varied electrolysis voltage U in V po in bar T in C temperature -300mA/cm² electrolysis +6 mv /1000h (,1%/1000h) +46 mv /1000h (3,9%/1000h) O-ratio time t in h temperaturet in C NOW Workshop, Ulm,

14 Impedanzspektren von Zelle IT8 bei 400 ma/cm im Langzeit-Brennstoffzellenbetrieb i 1000 It8, 0.4 A/cm + Fuel Cell 800 C, 40/30//160 slpm / O//Air (43% Steam) h h h Z in mω cm² 1 8 φ in ,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 f in z 0 NOW Workshop, Ulm,

15 Impedanzspektren von Zelle IT8 bei 400 ma/cm im Langzeit-Elektrolysebetrieb i h h h Z in mω cm² It8, 0.4 A/cm - Electrolysis 800 C, 40/30//160 slpm / O//Air (43% Steam) φ in ,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 f in z NOW Workshop, Ulm,

16 REM-Aufnahmen von Querschliffen der Zelle IT8 nach 45 Betriebsstunden i NOW Workshop, Ulm,

17 Zelle IT4 (LSM O -Elektrode mit Pt-Netz) und beschichteter metallischer Interkonnektor i NOW Workshop, Ulm,

18 U-i-Kennlinien von Zelle IT4 mit Pt-Netz und Interkonnektor im Brennstoffzellenbetrieb i 1,1 Temp. = 800 C; Gasflow 40/40//160 smlpm/cm² /N//Air cell voltage U in V 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 U(i) p(i) 1-78 h, interconnect - 78 h, cathodic probe power density p in mw/cm² 0, current density i in ma/cm² NOW Workshop, Ulm,

19 U-i-Kennlinien von Zelle IT4 mit Pt-Netz und Interkonnektor im BZ- und Elektrolysebetrieb i 1,4 400 cell voltage U in V 1,3 1, 1,1 1 0,9 0,8 0,7 p(i) U(i) 1-83 h, interconnect - 83 h, cathodic probe 3-90 h, interconnect 4-90 h, cathodic probe power density p in mw/cm² Temp. = 800 C; Gasflow 40/40//160 smlpm/cm² /O//Air 0, , current density i in ma/cm² NOW Workshop, Ulm,

20 Langzeitverhalten von Zelle IT4 im Elektrolysebetrieb i 1,7 1,6 1,5 1,4 temperature U(interconnector) in V U(cell) in V T(interconnector) in C voltage in V 1,3 1, 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 voltage probe interconnector voltage probe cathode -4 mv /186 h -1 mv /75 h (-1.5% /1000 h) possible effect of failure of other cell temperature t in C 0,5 0,4 SRU : Cell IT4 / interconnect -300 ma/cm² electrolysis 40/40//160 smlpm/cm / O//Air 100 0, time t in h 0 NOW Workshop, Ulm,

21 Zusammenfassung i Sinterzellen mit YSZ-Elektrolyt wurden bei C bei hohen Stromdichten (> - A/cm ) im T-Elektrolysebetrieb getestet. Die Zellspannungen lagen unterhalb der thermoneutralen Spannung. Einzelzellen zeigten im Langzeitbetrieb bis 1500 h bei -0,3 A/cm Degradationsraten von etwa %/1000 h. Im Langzeittest eines 5-Zellenstacks über 3500 h lag die Degradation während der ersten 000 h bei etwa 15%/1000 h und während der folgenden 1500 h bei etwa 6%/1000 h. Plasmagespritzte Zellen auf ferritischen Substraten der Fa. Plansee (IT11) zeigten bei 1 A/cm eine Zellspannung von weniger als 1,3 V bei 850 C und von 1,4 V bei 800 C sowie ein moderates Degradationsverhalten (~3,%/1000 h über 000 h) Die Degradation bei der metallgetragenen Zelle ist im Elektrolysebetrieb signifikant höher als im Brennstoffzellenbetrieb. Für einen technischen Einsatz muss in beiden Fällen die Langzeitstabilität noch verbessert werden. NOW Workshop, Ulm,

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