Diagnosen für die Leistung und Degradation von Brennstoffzellen
Eine der wichtigsten Voraussetzungen für den Markteintritt von SOFC-Stapeln ist eine äußerst geringe Degradationsrate. Während stationäre Anwendungen eine Lebensdauer für Zellen und Stapel von etwa 20 000 Stunden erforderlich machen, sind bei stationären Hilfsaggregatem mehr als 40 000 Betriebsstunden notwendig. Dieses Ziel konnte bislang nur schwer und mit äußerst speziellen Designs erreicht werden. Forscher initiierten das EU-finanzierte Projekt DESIGN (Degradation signatures identification for stack operation diagnostics), um charakteristische Signaturen langsamer Phänomene zu identifizieren, die sich dessen ungeachtet langfristig schädlich auf die Leistung und Beständigkeit von SOFC-Stapeln auswirken. Das oberste Ziel bestand in der Bereitstellung einer zuverlässigen Methode zur Fehlerdiagnose über eine angemessene Verarbeitung von Daten, die durch eine Reihe kleiner Sensoren geliefert werden. Gemeinsam mit den industriellen Partnern des GENIUS-Projekts untersuchten die Forscher schleichende Phänomene, die langsam die Degradation von SOFD-Stapeln beschleunigen. Der Ausgangspunkt war der Einfluss schädlicher Betriebsbedingungen an Subkomponenten von Stapeln. Hierbei wurden einzelne Zellen, einzelne Wiederholungseinheiten und kleine Stapel berücksichtigt. Umfassende Experimente zeigten, dass die meisten Zellen- und Stapelprobleme mit den verwendeten Materialtypen und deren Qualität in Zusammenhang stehen. Systemfehlfunktionen spielen allerdings ebenfalls eine bedeutende Rolle und wurden in Auswirkungen, die durch Unreinheiten induziert werden und abweichende Betriebsbedingungen unterteilt. Bei der letztgenannten Kategorie wird ein fehlerhaftes Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff sowie eine hohe Verwendung lokaler Brennstoffe berücksichtigt. Eine Untersuchung zu Gefahren und Bedienbarkeit ermöglichte eine systematische Evaluation von Stapelfehlfunktionen und deren Konsequenzen. Basierend auf den Ergebnissen entwickelten Forscher einen Testplan, um die Anodenreoxidation durch eine lokal erhöhte Brennstoffverwendung zu simulieren – eines der schwerwiegendsten und häufigsten Phänomene – sowie zwei weitere Degradationsmechanismen. In der letzten Phase von DESIGN wurden diese spezifischen Signaturen, welche langsame Degradationsphänomene in einem lokalen Maßstab beschreiben, für die Diagnose vollständiger Stapel mit bis zu 64 Zellen und begrenzter Ausstattung erweitert. Bedeutsamerweise wurde die Reproduzierbarkeit der identifizierten Signaturen sowie deren Zuverlässigkeit als Grundlage für ein Diagnoseinstrument für marktfähige Stapel bestätigt. Zur Implementierung des Diagnoseinstruments wurden die Prüfprotokolle und Daten mit dem DIAMOND-Projekt geteilt, welches unmittelbar an DESIGN anknüpft. Eine Diagnosetechnik, die in der Lage ist, potenzielle Fehler zu erkennen, wird sich in wesentlicher Weise auf die Lebensdauer von SOFC-Stapeln auswirken und letztlich eine großflächige Marktaufnahme dieser vielversprechenden Technik ermöglichen.
Schlüsselbegriffe
Festoxidbrennstoffzelle, elektrische Stromerzeugung, Diagnosetechnik, Degradationssignaturen, Stapelbetrieb
