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ELTSECCS Ausdehnung der Lebensdauer von SOFC Elektrolyten, Kathoden, Zellen und Stacks

Das gegenständliche Projekt ist auf die Erforschung der Mechanismen der elektrolyt- bzw. kathodenseitigen Degradation sowie jener von Zellen und Stacks fokussiert. Darüber hinaus werden neue Elektrolyt- bzw. Kathodenmaterialien mit verbesserten Eigenschaften, wie z.B. ionische Leitfähigkeit und Kinetik der Sauerstoffeinbaureaktion, sowie einer höheren Langzeitstabilität entwickelt. Die Degradationsmechanismen sollen sowohl an „State-of-the-Art“-Materialien, wie z.B Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid (kodotiert mit Ce) und Perowskiten (La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ), als auch an neuen Materialen untersucht werden. Die Degradation der ionischen Leitfähigkeiten von Bulk und Korngrenzen der Elektrolyte wird sowohl in oxidierenden als auch in reduzierenden Atmosphären mittels Impedanzspektroskopie studiert. Zur Untersuchung der Kinetik der Sauerstoffeinbaureaktion von Kathoden werden Leitfähigkeitsrelaxationsexperimente in verschiedenen Atmosphären (Variation des Sauerstoffpartialdruckes, Feuchtigkeit) und in Anwesenheit/Abwesenheit von Si- und Cr-Quellen durchgeführt. Die Aufklärung der Degradationsmechanismen wird durch spektroskopische und mikroskopische Prä- und Posttest-Analysen (REM, HRTEM, STEM/EELS, Raman, XPS) unterstützt. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die systematische Analyse und Simulation thermomechanischer Schädigungen im Brennstoffzellen-Stack zur Optimierung der Stack-Geometrie und der Betriebsbedingungen. Dabei sollen durch Kopplung von Finite Elemente Analyse (FEA), Numerischer Strömungsmechanik (CFD) und elektrochemischer Simulation Modelle entwickelt werden, welche insbesondere lokale Effekte, wie z.B. Temperaturgradienten, Hot-spots und lokale Materialeigenschaften, berücksichtigen.

Ausgangssituation

Festoxidbrennstoffzellen (solid oxide fuel cells, SOFCs) bestehen aus einer porösen Kathode zur Reduktion des Sauerstoffs der Luft und einer porösen Anode zur Oxidation des gasförmigen Brennstoffs. Beide Elektrodenbereiche sind durch einen gasdichten Festelektrolyten (keramischer Sauerstoffionenleiter) voneinander getrennt. Die chemische Energie des Brennstoffs wird direkt mit sehr hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie durch die elektrochemischen Elektrodenreaktionen umgewandelt. SOFCs können nicht nur mit Wasserstoff sondern auch effizient mit anderen Brennstoffen, wie z.B. Methan und Biogas, betrieben werden. Durch diesen flexiblen Einsatz besteht die Möglichkeit der Nutzung erneuerbarer Energieträger (z.B. aus Fermentation oder Vergasung von Biomasse). Die Degradation der Einzelkomponenten bzw. des gesamten Stacks stellt einen wesentlichen, limitierenden Faktor für die weltweite Markteinführung dieser Umwandlungstechnologie dar.

Eine signifikante Verringerung der Degradationsrate ist für die Erhöhung der Lebensdauer von SOFCs von essentieller Bedeutung. Hierfür müssen in erster Linie die zugrundeliegenden Mechanismen aufgeklärt werden.

Die quantitative Beschreibung der Degradationsphänomene ist bislang unzureichend. Derzeit sind Aussagen über wesentliche Triebkräfte oder gar Vorhersagen und Extrapolationen bis hin zur Lebensdauerprognose nur eingeschränkt möglich.

Projektverlauf

Die Degradationsmechanismen wurden sowohl an „State-of-the-Art“-Materialien, wie z.B Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid (kodotiert mit Ce, 1Ce10ScSZ) und Verbindungen mit Perowskitstruktur (La_1-xSr_xCo_1-yFeyO_3-δ), als auch an neuen Materialien untersucht. Dabei wurde die Degradation der ionischen Leitfähigkeiten von Bulk und Korngrenzen der Elektrolyte sowohl in oxidierenden als auch in reduzierenden Atmosphären mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie studiert. Zur Untersuchung der Kinetik der Sauerstoffeinbaureaktion von Kathoden wurden Leitfähigkeitsrelaxationsexperimente und elektrochemische Impedanzspektroskopie in verschiedenen Atmosphären (Variation des Sauerstoffpartialdruckes, Feuchtigkeit) und in Anwesenheit/Abwesenheit von Si- und Cr-Quellen durchgeführt. Die Aufklärung der Degradationsmechanismen wurde durch spektroskopische und mikroskopische Prä- und Posttest-Analysen unterstützt. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die systematische Analyse und Simulation thermomechanischer Schädigungen im Brennstoffzellen-Stack zur Optimierung der Stack-Geometrie und der Betriebsbedingungen. Dabei konnte durch Kopplung von Finite Elemente Analyse (FEA), Numerischer Strömungsmechanik (CFD) und elektrochemischer Simulation Modelle entwickelt werden. Schließlich wurden die Simulationsergebnisse durch Anwendung geeigneter Testprozeduren experimentell validiert.

Ergebnisse

Im Rahmen dieses Projektes wurde die ionische Leitfähigkeit von neuen Yb-dotierten Elektrolytmaterialien, welche kein Ce enthalten, charakterisiert. Die ionische Leitfähigkeit dieser neuen Materialien ist zwar etwas geringer als die Leitfähigkeit des „State-of-the-Art“ Materials 1Ce10ScSZ, die Langzeitstabilität in reduzierenden Atmosphären kann jedoch deutlich verbessert werden. Die neuen Materialien stellen somit eine interessante Alternative für den Einsatz in stationären SOFC-Systemen mit langer Lebensdauer dar.

Die Untersuchung der Schädigungsmechanismen der Chrom- und Siliziumvergiftung, welche verstärkt an feuchter Luft auftreten, ergab, dass diese Prozesse besonders kritische Faktoren für die Langzeitstabilität von SOFC-Kathoden und damit von -Zellen und -Systemen darstellen. Strontium-freie Kathodenmaterialien wie LNO und LNF64 sind interessante Alternativen zu den state-of-the-art SOFC-Kathoden (LSCF, LSC).

Bezüglich der Modellierung und Simulation der thermomechanischen Schädigung konnte vor allem im Bereich der thermischen Randbedingungen und Temperaturfeld-Erstellung, FEA-Modell-Aufbau sowie Randbedingungen und Implementierung sekundärer Einflüsse ein großer Fortschritt erzielt werden. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Kathodenvergiftungsmodell bildet eine aussichtsreiche Basis und zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen Modellvorhersage und Messwerten.