e-XPlore
Die im Aufbau befindliche, transportable Forschungsplattform e-XPlore der Arbeitsgruppe "Elektrochemische Hochtemperatur-Verfahren (EHT)" des Instituts für Technische Thermodynamik des DLR in Stuttgart wird die Untersuchung von SOC-Reaktoren mit mehreren SOC-Stacks im druckaufgeladenen Elektrolyse- und Brennstoffzellenbetrieb ermöglichen. Dabei sind Betriebsdrücke zwischen 8 bar und 50 bar einstellbar.
Forschungsaufgaben
Das Ziel ist es die elektrochemischen SOC-Reaktoren im Hochdruckbetrieb zu testen und zu charakterisieren, um Betriebsstrategien zu entwickeln, sowie niedrige Degradationsraten und hohe Leistungs- und Energiedichten zu ermöglichen. Dabei stehen Untersuchungen im Elektrolysemodus im Fokus. Der bei der Elektrolyse von Wasser entstehende Wasserstoff oder das bei der gleichzeitigen Elektrolyse von Wasser und Kohlendioxid (Ko-Elektrolyse) erzeugte Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, kann anschließend in verschiedenen chemischen Prozessen weiterverarbeitet werden. Ein Beispiel ist die Fischer-Tropsch-Synthese, welche bei ca. 25 bar durchgeführt wird. Die hohen Austrittsdrücke der in der Hochdruckelektrolyse erzeugten Gase bieten die Möglichkeit, die gekoppelten Prozesse effizient und ohne zusätzliche Zwischenschritte mit Edukten zu versorgen. Durch die Kopplung der Prozesse lässt sich elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad in einfach speicherbare flüssige oder gasförmige Chemikalien mit hoher Energiedichte wandeln.
Der Aufbau der Versuchsumgebung wird durch das DLR mit knapp 3,7 Mio € eigenfinanziert und perspektivisch im Projekt H2Mare: PtX-Wind mit einer transportablen Synthese des Projektpartners KIT-IMVT gekoppelt.
Betriebsweise
Es können verschiedene Betriebsmodi untersucht werden:
- Elektrolysemodus (SOE) für die Herstellung von Wasserstoff oder Synthesegas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid mittels elektrischer Energie von bis zu 10 kWel
- Brennstoffzellenmodus (SOFC) für die Stromerzeugung bis 3 kWel
- Reversibler Betrieb (rSOC) z. B. für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie wobei zwischen SOFC- und SOE-Betrieb gewechselt wird.
Medienver- und -entsorgung
Auf Brenngasseite stehen H2, CO2, CO, N2 und CH4 zur Verfügung. Die Gasmischung wird auf Betriebsdruck komprimiert, vorgeheizt und mit bereits komprimiertem Wasserdampf (bis zu 7,5 kg/h) gemischt. Anschließend wird das Gasgemisch auf Betriebstemperatur erhitzt. Für die Luftzufuhr werden bis zu 20 m³/h gefilterter Umgebungsluft verwendet. Die Kompression der Gase erfolgt über unterschiedliche Verdichter, die Dosierung über MFCs. Die Aufheizung der Gase auf eine Betriebstemperatur von bis zu 850 °C erfolgt durch mehrere Heizer mit einer gesamten elektrischen Leistung von 15 kW. Um Schwankungen im Druck zu vermeiden sind Pufferbehälter und Druckdifferenzregler verbaut. Die thermische Energie der Produkte wird nicht durch Wärmeübertrager rekuperiert um maximale Flexibilität für den Betrieb und die Simulation von Systembetriebszuständen zu erhalten.
Erweiterte Untersuchungsmöglichkeiten
In-situ-Charakterisierungsmethoden wie die Online-Gasanalyse der Produktgase und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) sollen einen detaillierten Blick auf die Systemleistung sowie auf die Identifizierung und Quantifizierung der Zell- und Reaktorwiderstände auf Stackebene ermöglichen.