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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Christian Doppler Labor für Grenzflächen in metallgestützten elektrochemischen Energiewandlern

Metallgestützte Brennstoffzellen zeichnen sich durch ihre mechanische Stabilität und kostengünstige Herstellung aus. Zur Verbesserung der Leistungskennwerte und der Lebensdauer erfolgt im CD-Labor eine gezielte Weiterentwicklung der Elektroden und der spezifischen Grenzflächen.

Metallgestuetzte BrennstoffzelleLinke Seite: Querschnitt durch eine metallgestützte Brennstoffzelle der Firma Plansee SE. Rechte Seite: Leichtbau-Stackdesign der Fa. Plansee SE mit eingeschweißter Brennstoffzelle.


Metallgestützte Brennstoffzellen (Metal-supported fuel cells MSCs) besitzen gegenüber anodengestützten Brennstoffzellen (Anode-supported fuel cells ASCs) spezifische Vorteile. Die Einführung des metallischen Substrats führt zu einer verbesserten Beständigkeit der elektrochemisch aktiven Funktionsschichten gegenüber mechanisch, thermisch oder chemisch induzierten Spannungen. Weiterhin bietet es Potential zur Kosteneinsparung beim Processing der MSC und erleichtert das gasdichte Fügen der Zelle im Stack. Diese Vorteile machen die MSC besonders für mobile Anwendungen attraktiv. Hierzu zählen u.a. Hilfsaggregate für die Bordstromerzeugung von LKWs (sog. auxiliary power unit APU).

Die technische Entwicklung der MSC ist noch nicht auf dem Stand der mittlerweile etablierten ASC. Auch wenn für die elektrochemisch aktiven Schichten ähnliche Werkstoffe eingesetzt werden wie bei der ASC, ist die MSC-Technologie gegenwärtig noch durch eine geringere Leistungsdichte und eine deutlich erhöhte Zelldegradation im Langzeitbetrieb gekennzeichnet. Die für die Zelldegradation verantwortlichen Alterungs- und Grenzflächenphänomene sind bisher noch nicht vollständig verstanden.

Das „Christian Doppler Labor für Grenzflächen in metallgestützten elektrochemischen Energiewandlern“ verfolgt ein Forschungs- und Entwicklungskonzept, dass die wesentlichen Herausforderungen der MSC-Technologie aufgreift. Das Ziel des Projekts ist – basierend auf einem fundamentalen Verständnis der MSC spezifischen Alterungs- und Grenzflächenphänomene – die Demonstration der Langzeitstabilität der MSC-Technologie für mehr als 10.000 h unter den Randbedingungen einer APU. In enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Technische Universität Wien sowie den österreichischen Industrieunternehmen Plansee SE und AVL List GmbH werden die folgenden Themengebiete bearbeitet.

Entwicklung von Hochleistungskathoden: In diesem Arbeitspaket werden verschiedene Ansätze verfolgt, um die Schichthaftung der Kathode zu verbessern (Optimierung der Sinterparameter und Sinteratmosphären, Nanostrukturierung, Sinterhilfsmittel,…). Weiterhin soll die durch Cr-Spezies verursachte Degradation der Kathode aufgeklärt und in Folge zuverlässig vermieden werden.

Entwicklung von schwefeltoleranten Anoden: In dem federführend durch die TU Wien bearbeiteten Arbeitspaket werden die Mechanismen der durch Schwefel verursachten Alterung Ni-haltiger Cermet-Anoden untersucht und alternative, Ni-freie Anodenwerkstoffe entwickelt.

Maßgeschneiderte Grenzflächen: Um eine rasche Alterung der metallgestützten Anode zuverlässig zu vermeiden, ist eine Diffusionsbarriere zwischen dem Metallsubstrat und der Anode obligatorisch. In dem Arbeitspaket werden kostengünstige Verfahren zur Deposition dieser Barriere entwickelt. Zusätzlich erfolgt eine Implementierung neuer Werkstoffkonzepte mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich chemischer Stabilität und elektrischer Leitfähigkeit.

Das Christian Doppler Labor wird zu gleichen Teilen durch das Österreichische Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) und die beteiligten Industriepartner gefördert.



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