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Festoxidbrennstoffzelle – eine vielversprechende Zukunftstechnologie

Forschende im Field of Expertise Sustainable Systems untersuchen Schädigungsmechanismen sowie Verfahren und Strategien zur Erhöhung der Lebensdauer von Festoxidbrennstoffzellen. Diese Zellen sind Hauptbestandteil eines neuartigen, mobilen Stromgenerators. Diese Generatoren können deutlich höhere Gesamtwirkungsgrade als konventionelle, durch Verbrennungskraftmaschinen getriebene Geräte erzielen. Beim Betrieb mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie Dieselreformat (Diesel überführt in gasförmigen Zustand) können Ablagerungen an den Zellen entstehen. Die Entstehung, die zellschonende Entfernung sowie die Verhinderung der Entstehung dieser Ablagerungen ist Forschungsschwerpunkt im Bereich der Festoxidbrennstoffzelle. Ziel der Forschung in der Arbeitsgruppe Thermische Energiesysteme und Biomassenutzung am Institut für Wärmetechnik der TU Graz ist die maßgebliche Verlängerung der Lebensdauer dieser zukunftsträchtigen Zelltechnologie, um diese Stromgeneratoren der Serienreife einen Schritt näher zu bringen.

Energieerzeugung – umweltfreundlich und hocheffizient

Steigender Energiebedarf und zunehmende Umweltbelastung durch Verwendung nicht erneuerbarer Rohstoffe erfordern neue Wege der umweltfreundlichen und hocheffizienten Energieerzeugung. Festoxidbrennstoffzellen (Englisch Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) zeichnen sich durch große Brennstoffflexibilität und hohe erzielbare Gesamtwirkungsgrade aus. Diese werden erreicht, da die chemische Energie des gasförmigen Brennstoffs direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Konventionelle Kraft-Wärme-Prozesse hingegen benötigen mehrere Umwandlungsprozesse, die den Wirkungsgrad begrenzen, um elektrische Energie zu gewinnen. Die Festoxidbrennstoffzellen haben weitere positive Aspekte: Bei der direkten Umwandlung werden keine Stickoxide produziert und der hohe Wirkungsgrad hat eine direkte Reduktion der CO2-Emissionen zur Folge.

Festoxidbrennstoffzellen sind sogenannte Hochtemperatur-Brennstoffzellen und werden bei Temperaturen zwischen 600 und 1000 °C betrieben. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht zusätzlich zur Stromproduktion die Nutzung der Abwärme für Heizzwecke und Warmwasserbereitung in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie für industrielle Prozesse. Weiters kann diese Art der Brennstoffzellen auch in mobilen Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel für die Strom- und Wärmeversorgung von LKW, Wohnmobilen oder Booten.

Ablagerungs- und Regenerationsmechanismen verstehen

Bei Verwendung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie Methan oder Kohlenmonoxid (welche Bestandteile des Dieselreformats sind) kann es zur Bildung von Kohlenstoffablagerungen auf der brenngasseitigen Elektrode (Anode) der Zelle kommen. Die Kohlenstoffablagerungen belegen die aktiven Flächen der Anode und blockieren die Gaswege der gesinterten, porösen Struktur. Dies hat eine Verringerung der Zellleistung zur Folge und führt, je nach Ausmaß der Ablagerungen, zu einer Verkürzung der Lebensdauer bis hin zur vollständigen, irreparablen Zerstörung der Zelle. Um die auf Festoxidbrennstoffzellen basierten Systeme konkurrenzfähig zu machen und die breite Nutzung  zu ermöglichen, untersuchen die Forschenden der TU Graz die komplexen Kohlenstoffbildungsmechanismen, unterschiedliche Verfahren zur Entfernung dieser Ablagerungen sowie Strategien zur Vermeidung der Kohlenstoffbildung. Ist die Entstehung von Ablagerungen an der Anode unvermeidlich, besteht die Möglichkeit der Zellregeneration. Unter Regeneration versteht man die Entfernung von Ablagerungen ohne Veränderung der Zellstruktur sowie der Wiederherstellung der ursprünglichen Zellleistung.

Grundlagenforschung mit industriellem Verwertungspotenzial

Die von den Forschenden der TU Graz eingesetzten Brennstoffzellen haben eine industriell verwertbare Größe (10 x 10 cm2). Die Forschenden analysieren unterschiedliche Reformatzusammensetzungen und deren Auswirkung auf die Zellperformance – experimentell und in computergestützten Simulationen. Für die numerischen Untersuchungen wurde in einem ersten Schritt ein CFD-Grundmodell (Numerische Strömungsmechanik) erstellt. CFD-Simulation ist ein Werkzeug, mit dem die Vielzahl der strömungstechnischen sowie chemischen und elektrochemischen Vorgänge innerhalb einer Zelle beschrieben und dadurch besser verstanden werden können. Mithilfe eines dreidimensionalen Modells einer Brennstoffzelle können die auftretenden Reaktionen in den Gaskanälen und der Elektrodenstruktur detailliert abgebildet und anschaulich visualisiert werden. Dadurch können die Schädigungsprozesse bei der Bildung von Kohlenstoff exakt nachvollzogen werden. Mithilfe genauer Kenntnis des Kohlenstoffbildungsvorganges entwickeln die Forschenden gezielte Strategien zur Entfernung der Ablagerungen. Diese werden sowohl im Experiment als auch in den Simulationen gründlich untersucht.

Bildquelle: Wikipedia.org

Schema einer Festoxidbrennstoffzelle:
Der Brennstoffzelle werden in zwei durch den Elektrolyt getrennte Kammern Luft und Brenngas zugeführt. Der Luftsauerstoff reagiert in der sogenannten Kathode zu Sauerstoffionen (O2--Ionen). Der Elektrolyt ist für Gase undurchlässig – ab einer Temperatur von ca. 600 °C wird der Elektrolyt jedoch für O2--Ionen leitfähig. Daher arbeiten SOFCs bei diesen oder darüber liegenden Temperaturen. Die Sauerstoffionen kombinieren nach ihrem Transport durch den Elektrolyt an der Anode mit dem Brenngas (hier Wasserstoff H2) zu Wasserdampf H2O. Zusätzlich dazu werden Elektronen frei gesetzt, die als elektrischer Strom genutzt werden können. Neben Wasserstoff können auch Methan CH4 und Kohlenmonoxid CO direkt elektrochemisch umgesetzt werden. Als Abgas entstehen hierbei CO2 und H2O.

Bildquelle Hochenauer
Christoph Hochenauer, Leiter des Instituts für Wärmetechnik

Die Erhaltung einer sauberen und lebenswerten Umwelt ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Mit unserer Forschung an Festoxidbrennstoffzellen können wir einen Beitrag zur Verringerung des Energieverbrauchs und der Umweltbelastung leisten.

Bildquelle: Subotić
Vanja Subotić, wissenschaftliche Mitarbeiterin

Mein Forschungsschwerpunkt umfasst die experimentelle Untersuchung von unterschiedlichen Degradationsmechanismen in Festoxidbrennstoffzellen mit Fokus auf Kohlenstoffbildungsmechanismen. Darüber hinaus erforsche und entwickle ich zellschonende Regenerationsstrategien dieser Ablagerungen.

Bildquelle: TU Graz/IWT

Festoxidbrennstoffzelle: Die Zellen haben eine industrielle verwertbare Größe von 10 x 10 cm². Der schwarze Bereich ist die poröse Kathode. Darunter befinden sich der Elektrolyt (weiß) und die Anode (grün). Am Institut für Wärmetechnik werden unterschiedliche Zelltypen untersucht: Anodengestützte Zellen (rechts), elektrolytgestützte Zellen (links), Halbzellen (quadratisch, Mitte), button cells (rund, Mitte) sowie auch metallgestützte Zellen.

Bildquelle: Schluckner
Christoph Schluckner, wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dreidimensionale Simulationen ermöglichen den Blick ins Innere einer Zelle. Dadurch können wir die ablaufenden Prozesse visualisieren und besser verstehen. Mithilfe meiner Simulationen erarbeiten wir maßgeschneiderte Regenerationsstrategien für unsere Zellen.

Bildquelle: TU Graz/IWT

Impedanzspektra einer Festoxidbrennstoffzelle:
Mithilfe einer Impedanzanalyse können die während des Betriebs einer Brennstoffzelle auftretenden Prozesse analysiert werden. Die dargestellten Halbkreise sind den Anoden- und Kathodenreaktionen zuordenbar. Ein erfolgreicher Regenerationszyklus von Kohlenstoffablagerungen ist zu sehen: Die blaue Kurve zeigt die Impedanz (Gesamtwiderstand) einer neuen, sauberen Zelle. Nach Betrieb mit Dieselreformat wurde Kohlenstoff abgelagert. Dadurch steigt der Gesamtwiderstand; die Kurven verschieben sich nach rechts (rote Kurve). Nach Anwendung des entwickelten Regenerations-verfahren konnte der ursprüngliche Zustand der Zelle wiederhergestellt werden (gelbe Kurve).

Bildquelle: TU Graz/IWT

Simulationsergebnis der Kohlenstoffbildung an der Anode:
Mit dem erstellten CFD (Numerische Strömungsmechanik) Simulationsmodell ist die Bildung von Kohlenstoff an der Anode von Hochtemperaturbrennstoffzellen möglich. Es sind hier die Ergebnisse von drei unterschiedlichen Szenarien dargestellt: OCV – Leerlauf (kein Stromfluss), 100 mA/cm² – mittlere Strombelastung, 260 mA/cm² – hohe Strombelastung. Rote bzw. gelbe Bereiche bedeuten hierbei, dass viel Kohlenstoff abgelagert wurde. Bereiche mit grüner bis blauer Farbe neigen weniger stark zur Kohlenstoffbildung.
Weiters ist zu erkennen, dass sich im Leerlauf (OCV) Kohlenstoff gleichmäßiger auf der Zelle verteilt. Mit steigender Last konzentriert sich dieser Bereich auf den Zelleinlass (links).

Kontakt

Institut für Wärmetechnik
Inffeldgasse 25/B
8010 Graz
www.iwt.tugraz.at

Christoph HOCHENAUER
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Instituts- und Arbeitsgruppenleiter
Tel.: +43 316 873 7300
christoph.hochenauernoSpam@tugraz.at 

Vanja SUBOTIC
Dipl.-Ing., BSc
Wissenschaftliche Projektmitarbeiterin
Tel.: +43 316 873 7319
vanja.suboticnoSpam@tugraz.at 

Christoph SCHLUCKNER
MSc
Wissenschaftlicher Projektmitarbeiter
Tel.: +43 316 873 7811
christoph.schlucknernoSpam@tugraz.at

Zusammenarbeit macht erfolgreich

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperiert die Arbeitsgruppe mit zahlreichen nationalen und internationalen Unternehmen und Forschungseinrichtungen.

Die Forschung im Bereich der Hochtemperatur-Brennstoffzelle am Institut für Wärmetechnik der TU Graz wird mit Mitteln der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) im Zuge des Projekts RESOX – Regenerationsstrategien für Solid Oxide Fuel Cells gefördert und in enger Kooperation mit AVL List GmbH durchgeführt.

Das Team

Die Forschenden im Projekt RESOX am Institut für Wärmetechnik im Field of Expertise Sustainable Systems der TU Graz:

  • Christoph Hochenauer
  • Christoph Schluckner
  • Vanja Subotić

Kooperierende nationale und internationale Unternehmen und Forschungseinrichtungen

  • AVL List GmbH
  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
  • Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik (CEET) TU Graz
  • Institut für Elektronenmikroskopie und Feinstrukturforschung (FELMI) TU Graz
  • Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik (TTM) TU Graz
  • Montanuniversität Leoben
  • Plansee SE