Theis bekæmper C-atomernes hærgen af elektrolyseceller

tirsdag 09 maj 17

Kontakt

Theis Løye Skafte
Postdoc
DTU Energi
93 51 19 84

Ph.d.-forsvar

Hovedvejleder: Lektor Johan Hjelm, DTU Energi

Medvejledere: Seniorforsker Christopher R. Graves, DTU Energi, og Peter G. Blennow Tullmar, Haldor Topsøe A/S

Eksaminatorer: Lektor Anne Hauch, DTU Energi, Senior Researcher André Weber, Karlsruhe Institute of Technology, og Assistant Professor Andrea Lanzini, Politechnico di Torino

Leder af forsvaret: Seniorforsker Christodoulos Chatzichristodoulou

Theis har lige forsvaret sit ph.d.-projekt ”Lifetime limiting effects in pre-commercial solid oxide cell devices” og vist, at kuldannelsen på nikkelelektroder hæmmer brug af højtemperatur-elektrolyseceller. Men han viser også, at skaden kan repareres og at cellerne forstærkes ved brug af stoffet ceria.

En voksende andel af vores energibehov dækkes af bæredygtige energi kilder, men vinden blæser ikke altid lige stærkt, og solen skinner ikke altid lige meget. Det har skabt et behov for omdannelse af elektrisk energi til kemisk energi, som lettere kan opbevares og bruges i f.eks. transport-sektoren.

Elektrokemiske faststof-oxid celler i form af elektrolyse- og brændselsceller (SOEC og SOFC) er en lovende teknologi, som gør os i stand til at gemme overskudsstrømmen. De to typer celler er i realiteten den samme celle, der bruges forskelligt. I elektrolyse tilfører man strøm til cellen og spalter vand (H2O) eller kulbrinte (CO2) til forskellige gasser. Ved at vende processen og bruge cellen som brændselscelle, kan man omdanne den kemisk bundne energi i gasserne, såsom naturgas, direkte til elektricitet med høj effektivitet.

Kombinationen af elektrolyseceller og brændselsceller er derfor ret velegnet til at gemme overskudsstrøm, men en række mekanismer begrænser cellernes effektivitet og levetid.

Dem valgte 30-årige Theis Løye Skafte fra DTU Energi at se på i sit ph.d.-projekt ”Lifetime limiting effects in pre-commercial solid oxide cell devices”, som han netop har forsvaret.

"De nuværende celledesign virker fint, men hvis vi virkelig skal have gang i denne teknologi, så skal der udvikles helt nye og mere stabile designs, der degraderer mindre og som ikke danner kul"
Theis Løye Skafte ved Ph.d.forsvar, DTU Energi

Kuldannelse er det store problem

”Jeg ville identificere og skabe overblik over de begrænsende mekanismer og jeg valgte hurtigt at fokusere på en af de største begrænsninger; kuldannelse i cellerne. Min research og mine eksperimenter viste, at problemet med kuldannelse er større end først antaget”, fortæller Theis.

Katode- og anode-elektroderne i hhv. elektrolyse- og brændselsceller er typisk fremstillet af nikkel i et velprøvet og effektivt celledesign, men problemet er, at der dannes aflejringer af kul under drift af cellerne. Kulstoff dannes i elektroderne, hvilket først hæmmer effektiviteten og til sidst ødelægger cellen.

”Først skabte jeg overblik over problemet, så zoomede jeg ind på den specifikke mekanisme. I sidste ende nåede jeg frem til, at hvis man dækker nikkel-elektroderne med ceria efter at skaden er sket, så kan man reparere cellen. Det viste sig derefter at samme metode kan bruges til at markant begrænse degraderingen af elektroden og dermed øge levetiden af cellen”, siger Theis.

Cerium(IV)oxid (CeO2), også kendt som Ceria, er en oxideret form af metallet cerium, som bl.a. bruges i katalysatorer i biler, mens ceria doteret med Gd2O3, gadolinia, kan bruges i energikomponenter som brændselsceller og konverteringssensorer. Doteret betyder, at man har tilsat fremmede atomer.

Celler af ceria er mere kultolerante

Theis og en af hans vejledere, Chris Graves, besøgte undervejs i hans studie en forskergruppe på Stanford Universitet, der er eksperter i de fundamentale reaktioner på bl.a. ceria. Her fandt Theis ud af, hvad årsagen er til, at kul har sværere ved at dannes på ceria end på nikkel.

”Ved hjælp af røntgenstråling fra en synkrotron kunne vi se, at C-atomerne blev fanget af oxygen på ceria-overfladen før der blev dannet grafit”, fortæller Theis.

Celler lavet af ceria er mere kultolerante, noget som Theis også viste i sit kandidatprojekt, men forskere har ikke kunne forklare den præcise årsag for den højere stabilitet før nu.

”Desværre er det svært at benytte ceria til at øge kultolerancen i kommercielle celler, da der simpelthen ikke er plads i elektroden til det”, fortæller han

Når kul dannes på nikkel, vokser der nanofibre som er stærke nok til at rive cellen i stykker. Hvis man fanger problemet i tide, har Theis vist, at man med ceria kan genskabe den kontakt, der tabes, når kullet skubber partiklerne fra hinanden.

”Da metallet nikkel er meget mobilt og klumper sammen ved de høje temperaturer som cellerne opererer ved, så stiger modstanden i cellerne selv ved normal operation uden kuldannelse. Jeg indså, at også dette problem kan afhjælpes ved at benytte samme metode som reparerede de forkullede celler, nemlig at tilføje ceria efter at skaden er sket. Overraskende nok viste det sig også at denne metode stabiliserer elektroden, så at yderligere degradering af denne stort set elimineres”, fortæller Theis

Flere undersøgelser venter

”Målingerne ser rigtig lovende ud og det lader også til at virke i kommercielle brændselscellestakke, men det skal testes yderligere og der er en række spørgsmål, der stadig skal besvares”, siger Theis. Han var fysikstuderende på Københavns Universitet, før han læste til kandidat på DTU’s kandidatuddannelse i Bæredygtig Energi. Her tog han et eksperimentelt kursus om højtemperatur brændselsceller.

Det fængede.

”Jeg kunne se fordelene ved at kunne gemme strøm ved at omdanne det til brugbare gasser, så jeg blev først studenter-medhjælper, siden erhvervs-ph.d. ved DTU Energi og det tidligere Topsøe Fuel Cell A/S. En god kombination, hvor jeg fik viden fra både erhvervsliv og universitetet”, siger Theis, der nu er blevet ansat som postdoc på DTU Energi.

”Jeg har valgt at blive på DTU Energi og udvikle nye celledesign og nye typer elektroder. De nuværende celledesign virker fint, men hvis vi virkelig skal have gang i denne teknologi, så skal der udvikles helt nye og mere stabile designs, der degraderer mindre og som ikke danner kul”, siger Theis Løye Skafte.

DTU Energi har 20 års erfaring med elektrokemiske celler

DTU Energi har forsket i og udviklet elektrokemiske celler i end 20 år. En elektrolysecelle bruger elektricitet til at spalte vandmolekyler (H2O) til brint (H2) og ilt (O2). Derved bliver den elektriske energi omdannet til kemisk bundet energi i brintmolekylerne. Dette er den omvendte proces af hvad der sker i en brændselscelle, der kan omdanne den kemiske energi i et brændsel direkte til elektricitet. Det giver mulighed for høj effektivitet i sammenligning med traditionelle teknologier. Læs mere om DTU Energis forskning i elektrokemiske celler

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.