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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Festoxid Brennstoff- und Elektrolysezellen

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Die Abteilung beschäftigt sich mit Werkstoffen und Herstellungsverfahren für Festoxid Brennstoff- und Elektrolysezellen. Hierbei werden hauptsächlich pulvertechnologische Verfahren eingesetzt. Die Expertise besteht in der parallelen Entwicklung geeigneter Materialien und speziell auf die Funktionalität angepasster Mikrostrukturen für Verbundbauteile.

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs von engl. solid oxide fuel cells) wandeln direkt chemische Energie in elektrische Energie um. Dadurch umgehen sie die Wandlungsverluste herkömmlicher Wärme-Kraft-Maschinen und können deshalb hohe elektrische Systemwirkungsgrade erzielen (bis zu 60%). Nutzt man auch die thermische Energie sind Wirkungsgrade über 80% möglich. SOFCs arbeiten bei Betriebstemperaturen von 650-950°C und benötigen hierfür sowohl für die eigentliche elektrochemische Zelle als auch die angrenzenden Bauteile wie Interkonnektoren (Bipolarplatten), Dichtungs- und Kontaktierungs-/Schutzwerkstoffe speziell angepasste Hochtemperatur-Werkstoffe. Das Forschungszentrum Jülich entwickelt hierbei einen besonderen Designtyp, nämlich die planare, anodengestützte SOFC. Sie hat den Vorteil geringer Widerstände und vergleichsweise einfacher Fertigungstechnologie und ermöglicht dadurch niedrige Betriebstemperaturen und verringerte Herstellungskosten, um die Markteinführung von SOFCs zu beschleunigen.

Verschiedene Baugrößen SOFCsAbb. 1: Verschiedene Baugrößen von anodengestützten SOFCs

Das IEK-1 beschäftigt sich im Rahmen der SOFC-Forschung mit der Zelle und den Kontakt- und Schutzschichten. Die Forschung und Entwicklung startet mit der Synthese geeigneter Materialien bzw. dem Zukauf kommerziell verfügbarer Werkstoffe und deren spezieller Adaptierung, über die Herstellung von Transportmedien (Pulver, Schlicker, Pasten, Suspensionen), der Herstellung von Schichten, Komponenten und Bauteilen bis zur technikumsnahen Skalierung hinsichtlich Bauteilgröße, Homogenität und Reproduzierbarkeit. Bei den Herstellungsverfahren kommen vorwiegend pulverbasierte Methoden aus der Metall- und Keramikpulververarbeitung wie bspw. Pressen, Foliengießen, Siebdrucken, Pulverspritzen u.ä. zum Einsatz. Erfordern die Funktionsschichten spezielle Eigenschaften, können aber auch Dünnschichtverfahren (PVD, Sputtern) oder precursorbasierte Verfahren wie Sol-Gel-Technik zur Anwendung kommen (Schleuder-, Tauchbeschichten, Tintenstrahldrucken). Arbeiten zur Degradation von SOFCs und post-Test Analyse von Brennstoffzellenstapeln runden das Forschungsportfolio ab.

Aufsicht auf anodengestützte SOFCs: KathodenseiteAbb. 2a: Aufsicht auf anodengestützte SOFCs im Jülicher F10 Design Stack; Kathodenseite (Stackbau ZEA-1)

Aufsicht auf anodengestützte SOFCs: Anodenseite Abb. 2b: Aufsicht auf anodengestützte SOFCs im Jülicher F10 Design Stack; Anodenseite (Stackbau ZEA-1)

Zum Themenbereich SOFC kommen neuerdings auch der Einsatz als Hochtemperatur-Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff (SOEC von engl. solid oxide electrolysis cell) und als Hochtemperatur-Batterie (ROB von engl. rechargeable oxide battery) zur Zwischenspeicherung volatil verfügbarer Elektrizität hinzu.

Der Forschungsbereich „Festoxid-Zellen“ wird abgerundet durch das im Herbst 2014 am IEK- eingerichtete Christian-Doppler Labor für „Grenzflächen in metallgestützten elektrochemischen Energiewandlern“
CD-Labor

Ein weiteres F+E-Gebiet ist das Verständnis des Sinterns von Schichten, volumigen Bauteilen und Schichtverbunden unter Temperatur-, Atmosphären- und elektrischem Feldeinfluss. Hierzu stehen u.a. folgende Anlagen zur Verfügung: SPS (spark plasma sintering), FAST (field assisted sintering), HIP (heißisostatisches Pressen) usw.

Herstellungsverfahren

SOFC Elektrolyt; Detailansicht des GießkopfesAbb. 3: Mikrofoliengießen von SOFC Elektrolyt; Detailansicht des Gießkopfes

Siebdruck von SOFC ElektrolytAbb. 4: Siebdruck von SOFC Elektrolyt; Detailansicht Druckrakel

Projekte: Festoxid Brennstoff- und Elektrolysezellen


Christian-Doppler Labor (Plansee SE, AVL List, TU Wien), CD-Gesellschaft, 09/2014 – 08/2019 (08/2021) Christian-Doppler Labor

SynSOFC, Entwicklung verbesserter Anoden in oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) für die Verstromung von Synthesegas aus der thermochemischen Vergasung von Biomasse, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (Forschungszentrum Jülich IEK-1, TU-München), 09/2015 - 08/2018

NeStPEL, Neuartige kostengünstige Stromkollektoren für die PEM-Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien, BMWi (Forschungszentrum Jülich IEK-3, IEK-1, Siemens, GKN Sinter Metals Filter GmbH), 05/2015 - 04/2018

Smart 2, Stacks und Zellen für mobilen und stationären Einsatz, BMWi (Forschungszentrum Jülich IEK-1, -3, ElringKlinger AG, CeramTec GmbH, DLR Stuttgart, Eifer, KIT), 10/2015 - 09/2018

KerSOLife100, Vollkeramisches SOFC-Konzept für kosteneffiziente µ-KWKs: Langzeitverhalten, Degradationsmechanismen, Material- und Prozessoptimierung, BMWi (Forschungszentrum Jülich IEK-1, IEK-3, Robert Bosch GmbH, RJL Micro & Analytic GmbH, KIT, Hochschule Karlsruhe, Hochschule Aalen); 09/2016-08/2019

Kopernikus, Erforschung, Validierung und Implementierung von Power-to-X Konzepten, BMWi (Forschungszentrum Jülich IEK-1, IEK-2, IEK-3, IEK-9, ZEA-1, Dechema Forschungsinstitut, DLR, Fraunhofer IWM, Wuppertal-Institut, Heraeus Gmbh & Co. KG, Linde AG, Sunfire GmbH; 07/2016-06/2021


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