MeMO Elektrochemische Metall-Metalloxid- Hochtemperaturspeicher für zentrale und dezentrale stationäre Anwendungen

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Jörn Hartmann
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dezentrale stationäre Anwendungen Förderer BMBF Laufzeit 07/2012

1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Me Elektrochemische Metall-Metalloxid- Hochtemperaturspeicher für zentrale und dezentrale stationäre Anwendungen Förderer BMBF Laufzeit 07/ /2015 Beteiligte Institutionen Forschungszentrum Jülich IEK-1, -2, -3, -9, -STE

2 Projektbeteiligte und Aufgaben IEK-1 IEK-2 IEK-3 IEK-9 IEK-STE Speicherentwicklung und Herstellung; ggf. Zellentwicklung, Fügetechnik Speichercharakterisierung Redox und Verdampfung Stacktest Einzelzelltest mit Speicherbauteilen, Elektrochemie Luft-/Brenngaselektrode Akzeptanz und Wirtschaftlichkeit derartiger Systeme Mitarbeiter (Mai 2013) IEK-1 IEK-2 IEK-3 IEK-9 IEK-STE N.H.Menzler, M.Bram, O.Tokariev, C.Berger, P.Orzessek W.J.Quadakkers, T.Markus, L.Niewolak L.Blum, Q.Fang, U.Packbier B.de Haart, I.Keller, S.Yildiz, T.Brambach W.Fischer, J.Geske, C.Schumann

3 Solarenergie Windenergie überschüssiger Strom Energiespeicher SOFC im SOEC- Modus Metallreduktion Speicher geladen Regenerativ erzeugte volatile Energie Industrie Metalloxidation Privathaushalt Rückverstromung SOFC Betriebs- Modus Speicher entladen

4 Hochtemperatur Metall Metall-Oxid Batterie LADEN (SOEC) "Strom speichern" ENTLADEN (SOFC) "Strom liefern" + Spannungsquelle I externe Last I V e V e + e e Anode Elektrolyt OXIDATION Kathode REDUKTION O 2 (ad) (g) + 4 e O(g) + 2 e (g) + (ad) MeOx Me O Anode OXIDATION e e + Elektrolyt Kathode REDUKTION H (g) + 4 e 2 2 (g) + (ad) O(g) + 2 e (ad) Sauerstoff- oder Luftelektrode Brenngaselektrode Sauerstoff- oder Luftelektrode

Entwicklung eines geeigneten Speichermaterials Geplantes Temperatur-Betriebsfenster Speichergrundmaterial Eisen Aufgaben: -Herstellung einer geeigneten Speicherarchitektur (Chemie, Mikrostruktur )

5 Entwicklung eines geeigneten Speichermaterials Geplantes Temperatur-Betriebsfenster Speichergrundmaterial Eisen Aufgaben: -Herstellung einer geeigneten Speicherarchitektur (Chemie, Mikrostruktur ) -Speichercharakterisierung (Redox, Wechselwirkungen, Dauerhaltbarkeit ) -Zell- und Stacktests -Betriebscharakterisierung (Betriebsfenster, Leistung, Stabilität ) -Systemintegration -Wirtschaftlichkeit, Akzeptanz, Netzintegration

6 Mögliche Speichermaterialien / O 60 / C

7 Betriebsfenster; Temperatur und p O2 Wasserstoffpartialdruck 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Sauerstoffpartialdruck / bar Temperatur / C Wasserdampfpartialdruck

8 Betriebsfenster; Temperatur und p O2-15 Experimentelle Bedingungen - Sauerstoffpartialdruck (Temperatur 800 C; Gase auf Basis Ar 2% - X% O) ~ -17 Oxidation Ar 2% 7% O O 3 O 4 (g) -20 Reduktion Ar 2% log 10 p ppm log 10 p O 1% 10%

9 Funktion Brennstoffzelle Speicher Kathode Elektrolyt Anode O O Gasraum O O O O O O Ausgangszustand -Speicher ist oxidiert -SOFC auf offener Zellspannung O

10 Funktion Kathode Elektrolyt Anode O O Überschüssige Elektrizität verfügbar Elektrolysemodus -Speicher wird reduziert -SOFC transportiert - gegen Partialdruckgefälle (= SOEC) O -Transport über Gasphase via O ( shuttle ) O O O O

11 Funktion Kathode Elektrolyt Anode O Höherer Elektrizitätsbedarf Brennstoffzellenmodus -Speicher wird oxidiert -SOFC im Normalbetrieb O O O O

12 Speicherentwicklung Ausgangszustand Modell der Eisenmigration Effekt 1: Agglomerierung = Sintereffekt AP 1 Zelle äußere Schicht Effekt 2: Schichtbildung = Konzentrationseffekt Gasraum Beginnende Oxidation des Partikelrandes Speicherinneres p hoch p niedrig

13 Manufacturing of oxygen storage 2 O 3 Projektübersicht Matrix oxide Mixing, forming and sintering (air) AP 1 Zelle (= Speicher + SOFC) Non-reactive Reactive Weg 3 O + matrix oxide Mixed oxide X (-M-O) Reduction (Ar - 2% ) + matrix oxide + mixed oxide 1 (-M-O) Operation Oxidation (Ar - 2% - 7% O) Storage as 1) /O or 2) /-M-O Reduction (Ar - 2% ) Storage structures rim + matrix + matrix oxide matrix, agglomerated + matrix oxide matrix + -M-O 2 matrix + matrix oxide

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