Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

MeMO – Elektrochemische Metall-Metalloxid- Hochtemperaturspeicher für zentrale und

dezentrale stationäre Anwendungen

Förderer BMBF

Laufzeit 07/2012 – 06/2015

Beteiligte Institutionen Forschungszentrum Jülich IEK-1, -2, -3, -9, -STE

IEK-1, IEK-2, IEK-3, IEK-9, IEK-STE

Projektbeteiligte und Aufgaben

IEK-1 Speicherentwicklung und Herstellung; ggf. Zell- entwicklung, Fügetechnik

IEK-2 Speichercharakterisierung Redox und Verdampfung

IEK-3 Stacktest

IEK-9 Einzelzelltest mit Speicherbauteilen, Elektrochemie Luft-/Brenngaselektrode

IEK-STE Akzeptanz und Wirtschaftlichkeit derartiger Systeme

Mitarbeiter (Mai 2013)

IEK-1 N.H.Menzler, M.Bram, O.Tokariev, C.Berger, P.Orzessek IEK-2 W.J.Quadakkers, T.Markus, L.Niewolak

IEK-3 L.Blum, Q.Fang, U.Packbier

IEK-9 B.de Haart, I.Keller, S.Yildiz, T.Brambach IEK-STE W.Fischer, J.Geske, C.Schumann

überschüssiger Strom

Regenerativ erzeugte volatile Energie

Energiespeicher

SOFC Betriebs-

Modus

O₂

Metall- reduktion

Rückverstromung

SOFC im SOEC-

Modus

O₂

Metall- oxidation Speicher geladen

Speicher entladen Privat-

haushalt

Industrie

Wind- energie

Solar- energie

IEK-1, IEK-2, IEK-3, IEK-9, IEK-STE Elektrolyt Kathode

Anode

OXIDATION REDUKTION

2 O²¯ (ad) → O₂(g) + 4 e¯ H₂O(g) + 2 e¯ → H₂(g) + O²¯ (ad)

e¯

I

V

e¯

O₂ e¯

H₂O

+ ‾

+ ‾ ^{Spannungs-quelle}

H₂ O²¯

Elektrolyt Kathode Anode

OXIDATION REDUKTION

O₂(g) + 4 e¯ → 2 O²¯ (ad) H₂(g) + O²¯ (ad) → H₂O(g) + 2 e¯

e¯

externe

Last I

V

e¯

e¯

H₂

H₂O

O₂

‾ +

O²¯

LADEN (SOEC)

"Strom speichern"

ENTLADEN (SOFC)

"Strom liefern"

Me MeOx ← →

Hochtemperatur Metall – Metall-Oxid Batterie

Sauerstoff- oder Luftelektrode

Sauerstoff- oder

Luftelektrode

Brenngaselektrode

Entwicklung eines geeigneten Speichermaterials

Speichergrundmaterial Eisen Geplantes Temperatur-Betriebsfenster

Aufgaben:

-Herstellung einer

geeigneten Speicher- architektur (Chemie, Mikrostruktur…)

-Speichercharakterisierung (Redox, Wechselwirkungen, Dauerhaltbarkeit…)

-Zell- und Stacktests

-Betriebscharakterisierung (Betriebsfenster, Leistung, Stabilität…)

-Systemintegration -Wirtschaftlichkeit,

Akzeptanz, Netzintegration

IEK-1, IEK-2, IEK-3, IEK-9, IEK-STE

750 °C

H₂ / H₂O 60 / 40

Mögliche Speichermaterialien

Sauerstoffpartialdruck / bar

Wasserdampfpartialdruck

Temperatur / °C

Wasserstoffpartialdruck

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Betriebsfenster; Temperatur und p

IEK-1, IEK-2, IEK-3, IEK-9, IEK-STE

Experimentelle Bedingungen - Sauerstoffpartialdruck

(Temperatur 800°C; Gase auf Basis Ar – 2%H₂- X%H₂O)

O₂(g)

log₁₀ pH₂O log10 pO2

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

-30 -25 -20 -15

1 ppm 10%

~ -17

-27

1%

FeO

Fe

Fe₃O₄

Reduktion Ar – 2%H₂

Oxidation Ar – 2%H₂ – 7%H₂O

O₂

Betriebsfenster; Temperatur und p

Funktion

O ₂ O ₂

H ₂

H ₂

H ₂ O

Kathode ^Elektro-_lyt Anode

Brennstoffzelle Speicher

Gasraum

H ₂

H ₂ H ₂ O H ₂

H ₂ H ₂ O

FeO FeO

FeO

FeO FeO FeO

MO

MO MO MO

MO

Ausgangszustand -Speicher ist oxidiert

-SOFC auf offener Zellspannung

IEK-1, IEK-2, IEK-3, IEK-9, IEK-STE

Funktion

O ₂ O ₂

H ₂

O^2-

O^2-

O^2-

H ₂ O

Überschüssige Elektrizität verfügbar

„Elektrolysemodus“

-Speicher wird reduziert

-SOFC transportiert O^2-gegen Partialdruckgefälle (= SOEC)

Kathode ^Elektro-_lyt Anode

H ₂

H ₂ H ₂ O

Fe FeO

Fe

Fe FeO Fe

MO

MO MO MO

MO

H ₂ H ₂ O

H ₂ O H ₂ O

O₂-Transport über Gasphase

via H₂O („shuttle“)

Funktion

O ₂ O ₂

H ₂

H ₂

O^2-

O^2-

O^2-

H ₂ O

Höherer Elektrizitätsbedarf

„Brennstoffzellenmodus“

-Speicher wird oxidiert

-SOFC im „Normalbetrieb“

Kathode ^Elektro-_lyt Anode

H ₂

H ₂ H ₂ O

FeO Fe

Fe

FeO Fe Fe

MO

MO MO MO

MO

H ₂ H ₂ O

H ₂

H ₂

IEK-1, IEK-2, IEK-3, IEK-9, IEK-STE

Speicherentwicklung

AP 1 Zelle Modell der Eisenmigration

Ausgangszustand

Effekt 1:

Agglomerierung

= Sintereffekt

Gasraum pO₂ hoch

Speicherinneres pO₂ niedrig Effekt 2:

Schichtbildung

= Konzentrationseffekt

Beginnende Oxidation des Partikelrandes

Fe

äußere Schicht

Projektübersicht

AP 1 Zelle (= Speicher + SOFC)

Fe

O

Matrix oxide

Mixed oxide „X“ (Fe-M-O)

Mixing, forming and sintering (air)

Non-reactive Reactive

FeO + matrix oxide

Oxidation (Ar - 2%H₂ - 7%H₂O) Reduction (Ar - 2%H₂)

Fe + matrix oxide Fe + mixed oxide „1“ (Fe-M-O)

Reduction (Ar - 2%H₂)

Fe

+ Fe

+ matrix oxide

Fe + matrix oxide Fe

+ Fe-M-O „2“

Storage as 1) Fe/FeO or 2) Fe/Fe-M-O

Fe + matrix oxide

Manufacturing of oxygen storage Manufacturing of

oxygen storage

Operation Operation

Storage structures

Storage structures

Weg 3