Wichtiger Beitrag zum Degradationsverständnis eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs (SOEC)
Der zunehmende Anteil (1. Halbjahr 2018 > 40%!) der volatil verfügbaren Elektrizität aus erneuerbaren Energien (Solar, Wind) bedarf des Ausbaus von diversen Speichermöglichkeiten, um den Strom in Zeiten in welchen er nicht abgerufen wird zwischenzuspeichern. Dies kann entweder mit Batterien oder mit Elektrolyseuren geschehen, die den Strom nutzen, um Wasser zu spalten und daraus hochwertigen, nutzbaren Wasserstoff zu erzeugen (plus ggf. auch Sauerstoff). Die sog. Hochtemperatur-Elektrolyse (engl. Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) kann darüber hinaus auch als Ko-Elektrolyse gefahren werden, d.h. die gleichzeitige Einspeisung von Wasserdampf und Kohlendioxid um ein Synthesegas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Dieses ist ein wichtiges Vorprodukt für nachgeschaltete chemische Prozesse (Brennstoffe, chemische Vorprodukte).
Am Forschungszentrum Jülich wurde unlängst ein Langzeit SOEC-Test beendet und der Stack nachuntersucht. Der Elektrolysebetrieb erfolgte über mehr als 18.000h und ist somit der längste Hochtemperatur-Elektrolysebetrieb bis dato. In aufwändigen Post-Test-Analysen wurde nun die Ursache für die, im Vergleich zum Hochtemperatur-Brennstoffzellenbetrieb, erhöhte Degradation herausgearbeitet.
Durch bislang chemisch/physikalisch/elektrochemisch noch nicht detailliert verstandene Prozesse kommt es zur Abreicherung der katalytisch aktiven Nickelphase aus der Brenngaselektrode. Durch diese Abreicherung verschiebt sich die elektrochemisch aktive Zone in das gröber strukturierte Substrat, so dass die zellinternen ohm’schen Widerstände deutlich ansteigen. Die Nickelabreicherung ist über die Zellfläche ungleichmäßig, d.h. im Brenngaseingangsbereich ist die komplette ehemalige Funktionsschicht nahezu nickelfrei, im Brenngasausgangsbereich ist dieser Abreicherungsfortschritt zu ca. einem Drittel erfolgt.
Das Phänomen der Nickelabreicherung ist ein fundamentaler Vorgang, der unbedingt verstanden werden muss, um Abhilfemaßnahmen, sowohl seitens alternativer Materialien als auch seitens der Betriebsbedingungen entgegen zu wirken.
Originalpublikationen hierzu:
- http://jes.ecsdl.org/content/165/2/F38.full.pdf+html
- http://jes.ecsdl.org/content/165/5/F357.full.pdf+html