CO2-Electrolysis for Synthesis Gas Production

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502717-WP4

Description succincte (Allemand)

Um die heutigen fossilen Brennstoffe durch klimafreundlichere Energieträger zu ersetzen, werden synthetische Brennstoffe breit diskutiert. Das technisch etablierte Fischer-Tropsch-Verfahren (FT). wurde vor 100 Jahren erfunden. Es nutzt Synthesegas (H2 und CO), um treibstoffähnliche Kohlenwasserstoffe herzustellen. Der enorme Bedarf an Synthesegas, der für das FT-Verfahren erforderlich ist, wird derzeit jedoch aus fossilen Kohlenstoffquellen gewonnen und verursacht einen erheblichen Kohlenstoff-Fußabdruck. Eine umweltfreundlichere Strategie bestünde darin, das FT-Verfahren mit erneuerbarem Synthesegas zu versorgen, das entweder durch die umgekehrte Wassergasverschiebungsreaktion (RWGS) oder durch Co-Elektrolyse von CO2 und H2O aus CO2 gewonnen wird. Die RWGS-Reaktion ist energetisch teuer und erfordert große und zentralisierte Anlagen. Im Gegensatz dazu verspricht die elektrochemische CO-Produktion durch Co-Elektrolyse einen vielversprechenden Weg zu höherer Effizienz und kann in kleineren dezentralen Anlagen analog zu Wasserelektrolyseuren umgesetzt werden. Trotz des großen Potenzials und der wissenschaftlichen Fortschritte ist die Stromdichte, der CO-Ertrag und die Lebensdauer noch zu gering, um wirtschaftlich zu sein. Diese Unzulänglichkeiten führen zu hohen Kosten für das erzeugte CO. Das WP4, Teil des reFuel.ch, strebt den Aufbau eines ambitionierten Co-Elektrolyseurs im Labormassstab an.

Im Einzelnen werden folgende Ziele verfolgt:

• das Zusammenspiel zwischen Diffusionsmedium, Katalysatorschicht und Bipolarer Membran zu verstehen, dass die Leistung und Stabilität von Bipolarer Membranen beeinflusst;
• einen zuverlässigen Co-elektrolysebetrieb bei ≥ 1,00 A·cm-2, ≤ 3,5 Vcell und 100 % CO2-zu-CO-Selektivität für ≥ 1'000 h zu erreichen
• Skalierung dieses Co-Elektrolyseur-Designs mit optimierter Leistung und Lebensdauer von der derzeitigen aktiven Fläche von 4 cm2 auf 200 cm2, um eine Einzelzellen-Produktleistung von ≥ 100 gCO·h-1 zu erreichen.

Description succincte (Anglais)

To substitute today’s fossil fuels with more climate friendly energy carriers, synthetic fuels are widely discussed. The Fischer-Tropsch (FT) process is technically established and was invented 100 years ago. It uses synthesis gas (H₂/CO) to produce fuel-type hydrocarbons. Yet, the enormous supply of this syngas required for the FT process is currently obtained from fossil carbon sources and carries a significant carbon footprint. A greener strategy would be to feed the FT process with renewable syngas obtained from CO₂ either through the reverse water gas shift (RWGS) reaction or via co-electrolysis of CO₂ and H₂O. The RWGS reaction is energetically expensive and requires large and centralized installations. In contrast, the electrochemical production of CO via co-electrolysis offers a promising pathway to higher efficiency and can be implemented in smaller, decentralized installations analogous to water electrolyzers. Despite the high appeal of these co-electrolyzers and recent scientific advances in their development, their operative current density, CO-output and lifetime are too low for economic feasibility. Thus, the WP4 within reFuel.ch targets the assembly of an ambitious lab-scale co-electrolyzer.

Detailed objectives are to:

• Understand how the interplay among diffusion- and catalyst layer and the bi-plolar membrane affects the performance and stability of co-electrolyzers;
• Attain reliable co-electrolysis operation at ≥ 1.00 A·cm⁻², ≤ 3.5 V_cell and 100 % CO₂-to-CO selectivity for ≥ 1’000 h
• Upscale this co-electrolyzer design with optimized performance and durability from the current active area of 4 cm² to 200 cm², as to reach a single cell product output of ≥ 100 g_CO·h⁻¹.

Description succincte (Français)

L’usage des combustibles synthétiques comme alternative aux combustibles fossiles fait l'objet de nombreuses discussions. Le procédé Fischer-Tropsch (FT) est techniquement mature son invention remontant à 100 ans. Il permet la conversion directe de gaz de synthèse (H₂/CO) en carburants. Cependant, le gaz de synthèse nécessaire pour le procédé FT est aujourd’hui issue de sources fossiles, résultant en une empreinte carbone élevée. Une alternative pourrait consister en l’usage de gaz de synthèse renouvelable obtenu à partir de CO₂, via la réaction de déplacement inverse de l'eau vers le gaz (RWGS), ou la co-électrolyse du CO₂ avec l’eau. La réaction RWGS est énergétiquement coûteuse et nécessite des installations centralisées de grande taille. En revanche, la production de CO par co-électrolyse est prometteuse de par sa capacité à être décentralisée en une multitude de petites installations. Malgré l'attrait pour ces co-électrolyseurs, leurs performances demeurent trop faibles pour être économiquement viables. Ainsi, le WP4 au sein de reFuel.ch se concentre sur l'assemblage d'un co-électrolyseur à l'échelle du laboratoire.

Les objectifs détaillés sont les suivants :

• Comprendre l'interaction entre la couche de diffusion, le catalyseur et la membrane bi-polaire sur les performances et la stabilité des co-électrolyseurs ;
• Obtenir un fonctionnement fiable de la co-électrolyse à ≥ 1,00 A·cm^-2, ≤ 3,5 Vcell et 100 % de sélectivité pour ≥ 1'000 h.
• Mise à l’échelle de ce co-électrolyseur avec des performances et une durabilité optimisée de la surface active de 4 cm² (actuels) à 200 cm², afin d'atteindre un rendement de produit à cellule unique ≥ 100 gCO·h^-1.

Description succincte (Italien)

I combustibili sintetici sono ampiamente discussi per sostituire i carburanti di origine fossile con vettori energetici più rispettosi del clima. Nonostante il processo Fischer-Tropsch (FT), inventato 100 anni fa e tecnicamente consolidato, sfrutti gas di sintesi (H₂/CO) per produrre carburanti, l'enorme fornitura di gas di sintesi necessaria deriva attualmente da fonti fossili ed ha quindi una notevole impronta di carbonio. Una strategia più ecologica consisterebbe nell'alimentare il processo FT con gas di sintesi rinnovabile ottenuto dalla CO₂ grazie alla reazione inversa di spostamento del gas d’acqua (RWGS) o alla co-elettrolisi di CO₂ e acqua. La reazione RWGS è energeticamente costosa e richiede impianti grandi, quindi centralizzati. Al contrario, la co-elettrolisi offre una soluzione caratterizzata da maggiore efficienza e può essere implementata in impianti più piccoli e decentralizzati, analoghi agli elettrolizzatori ad acqua. Malgrado l’attrattività dei co-elettrolizzatori e i progressi scientifici nel loro sviluppo, la loro densità di corrente operativa, la produzione di CO e la loro durata sono ancora troppo basse. Pertanto, il WP4 di reFuel.ch vuole assemblare un ambizioso co-elettrolizzatore da laboratorio puntando:

• a comprendere come sia l'interazione tra strato di diffusione e catalizzatore che la membrana bipolare influenzino prestazioni e stabilità;
• a ottenere un funzionamento affidabile a ≥ 1,00 A·cm^-2, ≤ 3,5 V_cell e il 100% di selettività CO₂-to-CO per ≥ 1'000 h.
• all’aumento della scala del progetto con prestazioni e durata ottimizzate dall'attuale area attiva di 4 cm² a 200 cm², per raggiungere una produzione a cella singola ≥ 100 g_CO·h^-1.