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Ausschreibender Bereich: IEK-3 - Elektrochemische Verfahrenstechnik
Kennziffer: 2019M-009, Elektrochemische Verfahrenstechnik, Chemie, Maschinenbau

Masterarbeit: Auswirkung der Qualität des Versorgungsdampfs auf den Betrieb von Hochtemperatur-Elektrolysestacks

Beginn der Arbeit: nach Vereinbarung

Aufgabengebiet
Zur Dekarbonisierung von Sektoren wie Verkehr und chem. Industrie wird voraussichtlich die synthetische Erzeugung von Kohlenwasserstoffen mittels des Einsatzes erneuerbarer Energieträger erforderlich sein. Die Verwendung von elektrischem Strom zur Durchführung einer Elektrolyse ermöglicht hierbei zusätzlich die Kopplung verschiedener Sektoren wie Stromerzeugung und –Verteilung und Transport/Mobilität, Wärmeversorgung und chem. Industrie und ermöglicht eine flexible Laststeuerung im Stromnetz. Die Hochtemperatur-Coelektrolyse von Kohlenstoffdioxid und Wasser erlaubt die Erzeugung von Synthesegas in einem Schritt mit einer hohen Effizienz. Das erzeugte Synthesegas kann dann mit etablierten chemischen Verfahren in verschiedene Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden.

Das IEK-3 verbessert zusammen mit Projektpartnern aus Forschung und Industrie die technische Anwendbarkeit von Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC) für die HT-Elektrolyse und konzentriert sich auf die Entwicklung von Stacks und Systemen und deren Charakterisierung. Dabei wird sowohl die Leistungsfähigkeit untersucht als auch die Alterung der Elektrolysestacks in Abhängigkeit verschiedener Betriebsweisen. Hierbei kommen verschiedene elektrochemische Untersuchungsmethoden zum Einsatz (z.B. elektrochemische Impedanzspektroskopie). Von Bedeutung für die Degradation der Zellen ist neben der Betriebsweise auch die Qualität (Reinheit) der eingesetzten Versorgungsgase, vor allem Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Der Dampf wird mittels Dampferzeugern vor Ort aus flüssigem Wasser erzeugt. Hierbei können bestimmte Verunreinigungen (z.B. Kieselsäure und Borsäure) aufgrund ihrer hohen Dampflöslichkeit in die Dampfphase übergehen und die elektrochemisch aktiven Funktionsschichten in den Elektrolysezellen schädigen.

Im Rahmen der Masterarbeit sollen die in der Dampfphase auftretenden Verunreinigungen in Abhängigkeit verschiedener Arten von Dampferzeugern, unterschiedlicher Betriebszustände des Dampferzeugers und verschiedener Reinheit des eingesetzten flüssigen Wassers quantifiziert werden. An einem SOEC-Stack sollen die Auswirkungen einer sauberen und einer verunreinigten Dampfversorgung auf die Degradation der Zellen beim Betrieb in technisch relevanten Bedingungen verglichen werden. Eine Literaturstudie zur Funktionsweise der SOEC, möglichen Degradationsphänomenen aufgrund von Verunreinigungen der Versorgungsgase sowie Dampferzeugertypen wird die theoretische Basis der Untersuchungen darstellen.

Aufgabenbeschreibung:

  • Erarbeitung und Zusammenstellung der theoretischen Grundlagen der Festoxid-Elektrolysezelle und den vorherrschenden Degradationsphänomenen
  • Literaturstudie zu bekannten schädlichen Verunreinigungen in Versorgungsgasen
  • Literaturstudie zu Konstruktionstypen von (Labor-)Dampferzeugern
  • Praktische Bestimmung der Reinheit des Versorgungswassers und des Dampfes durch (externe) Laboranalytik und Schnelltests vor Ort
  • Vergleich der Dampfqualität abhängig vom Versorgungswasser
  • Vergleich der Dampferzeuger und Betriebsweisen bzgl. des Rückhaltevermögens von Verunreinigungen
  • Vergleichende Tests der Auswirkung von Verunreinigungen im Dampf auf einen SOEC-Stack
  • Ableiten von Optimierungsmaßnahmen für den Verdampferbetrieb und der erforderlichen Reinheit des Versorgungswassers
  • Dokumentation der Ergebnisse in einer Masterarbeit

Anforderungen:

  • Überdurchschnittliche Leistungen in Ihrem Studium der elektrochemischen Verfahrenstechnik, der Chemie, des Maschinenbaus oder eines vergleichbaren Studiengangs
  • Große Einsatzbereitschaft und Kreativität
  • Selbstständige aber kooperative, motivierte und analytische Arbeitsweise
  • Sehr gute Sprachkompetenz in Deutsch oder Englisch
  • Erfahrungen im Bereich Brennstoffzellen oder Elektrolyse wünschenswert
  • Kenntnisse von Python oder Origin wünschenswert

Ansprechpartner:
Dominik Schäfer, Dipl.-Chem.
Telefon: +49 2461 61-4652
E-Mail: d.schaefer@fz-juelich.de

Internet: http://www.fz-juelich.de/iek/iek-3

Institut für Energie- und Klimaforschung - Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3)
Festoxid-Brennstoffzelle – Elektrochemische Messtechnik
Forschungszentrum Jülich