Tailoring of the synthesis gas composition during high-temperature co-electrolysis

  • Tailoring der Synthesegas-Zusammensetzung während der Herstellung über Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse

Dittrich, Lucy; Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor); Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse ist die simultane elektrochemische Umsetzung von H2O und CO2 bei Temperaturen im Bereich von 700 – 900 °C. In dieser Arbeit werden Festoxidzellen mit keramischem Elektrolyt verwendet. Diese Zellen bestehen aus einer Kathode aus einem Verbundmaterial aus Nickel und Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid (YSZ) (engl. ceramic metal, cermet), einem Elektrolyt aus YSZ und einer Anode aus Lanthan-Strontium-Kobalt-Ferrit (LSCF) oder Lanthan-Strontium-Kobaltoxid (LSC) sowie einer Barriereschicht aus Gadolinium-dotiertem Ceroxid (GDC) zwischen Elektrolyt und Anode. Untersucht wurden die Leistung und die zugrundeliegenden Prozesse anhand von Gleich- und Wechselstrommessungen in der CO2- und Ko-Elektrolyse sowie im Grenzbereich dazwischen. Ziel war es, die ablaufenden Prozesse insbesondere im Hinblick auf die Rolle der elektrochemischen CO2-Umsetzung zu charakterisieren, um die Ko-Elektrolyse zukünftig optimiert betreiben zu können. Es konnte gezeigt werden, dass die Leistung mit steigendem H2O-Partialdruck zwischen 0 und 30% zunimmt. Hier laufen Dampf- und CO2-Elektrolyse simultan ab. Über 30% ist die Leistung nahezu konstant und gleich der reinen Dampfelektrolyse. Die reine Dampfelektrolyse überwiegt und die Umsetzung des CO2 erfolgt über die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS). Die impedanzspektroskopischen Messungen zeigten, dass die größten Verluste auf Diffusionsprozesse in der Kathode zurückzuführen sind. Diese Verluste sind umso größer, je kleiner das H2O:CO2-Verhältnis ist, also wenn die CO2-Elektrolyse überwiegt, da CO2 einen deutlich größeren Diffusionskoeffizienten aufweist als H2O. Ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal der Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse ist die Möglichkeit das Synthesegasverhältnis in nur einem Prozessschritt anzupassen. Dies wurde durch Variation von Temperatur, Gaszusammensetzung und Flussrate untersucht. Die Temperatur beeinflusst das H2:CO-Verhältnis geringfügig über die Lage des RWGS-Gleichgewichtes. Das Verhältnis von H2O:CO2 im Eingangsgas hat einen deutlichen Einfluss und resultiert in ein etwa ähnliches Verhältnis von H2:CO im Ausgangsgas. Die Verringerung der Flussrate sorgt für eine höhere Gasnutzung bei gleichzeitiger Verringerung der erreichbaren Stromdichte bei gleicher Spannung. Dies verringert die Raum-Zeit-Ausbeute, da zwar prozentual mehr umgesetzt wird (Gasnutzung), die Stromdichte aber für den absoluten Umsatz maßgeblich ist. Es konnte gezeigt werden, dass die Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse eine sehr flexible Methode ist, um Strom aus erneuerbaren Energien zu nutzen oder speichern, sowie klimaschädliches CO2 zu recyclen und aufzuwerten.

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