Zellen und Stacks für die Synthesegasproduktion durch CO-Elektrolyse

Höherwertige Brennstoffe und Chemikalien sind durch Co-Elektrolyse von Wasserdampf/CO₂-Gemischen, unter Nutzung erneuerbarer Energie mit gekoppelter Fischer-Tropsch-Synthese, CO₂- neutral und effizient herstellbar. Mit SOFC-Brennstoffzellen, die längst nicht nur Strom erzeugen können, wird ein Wasserdampf/ CO₂-Gemisch bei über 750 °C in Synthesegas umgewandelt. Mit angeschlossener Fischer-Tropsch-Synthese können so beliebige Kohlenwasserstoffe erzeugt werden. Da die Prozesseffektivität durch den Einfluss von CO und CO₂ aufgrund der übergeordneten Shiftreaktion sinkt, ist es erforderlich, passende Elektroden und Betriebsbedingungen auszuwählen.

Das Fraunhofer IKTS hat daher die elektrochemische Leistung einer elektrolytgetragenen Zelle mit herkömmlichen IKTSG3-Elektroden für den Einsatz als SOEC und SOFC untersucht. Hierfür wurden das Verhältnis von H₂O:H₂ und CO₂:CO, die Betriebstemperatur (750–850 °C) sowie die Stromstärke variiert. Der flächenspezifische Widerstand (ASR) wies 0,178 ± 0,010 Ωcm² bei 850 °C und 0,286 ± 0,013 Ωcm² bei 800 °C auf. Während der Leistungstests über ~4.000 h erhöhte sich der Zellwiderstand im Brennstoffzellenmodus lediglich um < 5 mΩcm²/1000 h (ΔP/P0 < 0,5 %/1000 h).

Die Elektroden der IKTSG3 wurden auf Grundlage der elektrochemischen Charakterisierung und Gefügeanalyse zusätzlich für den Co-Elektrolyse-Modus optimiert, um einen Anstieg der Spannung während der ersten 50 bis 100 h zu vermeiden. Die Zelle wurde um eine weitere Schicht zwischen Substrat und Mehrschicht-Luftelektrode sowie eine optimierte Elektroden-Gefügestruktur ergänzt (IKTSG5) und getestet. Die lineare Degradationsrate für den Co-Elektrolyse-Modus der IKTSG5-Zelle beträgt DP/P0 = 0,4 %/1000 h. Anschließend wurde diese neue Zellgeneration in das robuste CFY-Stack-Design MK352 des Fraunhofer IKTS integriert und im Elektrolyse- sowie Co-Elektrolyse-Modus getestet. Das Leistungskennfeld des Stacks im Wasserdampf- und Co-Elektrolyse-Modus zeigte über einen breiten Anwendungsbereich einen linearen Verlauf und wies einen kaum erhöhten Leistungsaufwand (+ 2 %) gegenüber der Wasserelektrolyse auf. Mit der neuen Zellgeneration konnte die Langzeitstabilität des Stacks (> 4000 h) nachgewiesen werden.

Durch Kombination eines SOFC-Stacks mit einem Fischer-Tropsch-Reaktor soll im nächsten Schritt die Herstellung unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe erfolgreich demonstriert werden. Dies ebnet dann den Weg für die Speicherung von Überschussenergie und eröffnet neue Möglichkeiten für die CO₂-neutrale Produktion höherwertiger Chemikalien.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

• Zellentwicklung und Technologietransfer
• Komponententests für SOFC/SOEC unter realen Bedingungen
• Stackmodulentwicklung zum Einsatz in Systemen
• Verkauf von Stacks und Stackmodulen