Neue Untersuchungen zu den Ursachen der Degradation von Brennstoffzellen
Eine SOFC-Einheit zur Erzeugung von Energie muss eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren haben, was zwischen 40.000 und 100.000 Betriebsstunden entspricht. Für ein langfristiges Stapelverhalten muss der kontinuierliche, schrittweise Leistungsverlust reduziert werden, um die Leistungsniveaus während des SOFC-Betriebs innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten. Im Rahmen von SOFC-LIFE (Solid oxide fuel cells – Integrating degradation effects into lifetime prediction models) identifizierten Wissenschaftler einen möglichen Hauptfaktor für die SOFC-Degradation. Experimentelle Arbeiten zeigten, dass die Schnittstellenkontaktfläche zwischen der Zellenkathode und der metallischen Zwischenverbindungein wesentlicher Faktor für die Ausgangsleistungsdichte von SOFC ist. Um zu diesem Ergebnis zu gelangen, dekonstruierte das Team den SOFC-Stapel in einzelne Elemente und Schnittstellen unter den typischen Bedingungen des SOFC-Systembetriebs. Sie bewerteten diese Komponenten in regelmäßigen Zeitabständen für eine Zeitrafferbetrachtung von anodenseitigen und kathodenseitigen Phänomenen. Die Wissenschaftler konzentrierten sich dann auf vier Schlüsselmechanismen, die den elektrischen Widerstand eines SOFC-Stapels erhöhen können. Dazu gehörten morphologische Veränderungen der Anodenmikrostruktur im Verlauf der Zeit, die Korrosion von vernickeltem rostfreiem Stahl der verschiedenen metallischen Strukturteile, die Stabilität der Kathodenelektrokatalysatoren sowie Prozesse an der Grenzfläche zwischen der Kathode und dem metallischen Verbindungsstück. Nur beim letzten Faktor stellte sich heraus, dass er nicht unerhebliche Auswirkungen auf die SOFC-Ausgangsleistung hatte. Insbesondere berichteten die Forscher, dass der Kontaktwiderstand zwischen der Kathode und der Zwischenverbindung im Laufe der Zeit erheblich zunimmt. Neben der experimentellen Prüfung entwickelten die Wissenschaftler High-Level-Modelle, mit denen sich einzelne Degradationsphänomene und deren kombinierten Auswirkungen auf die SOFC und einzelne sich wiederholende Einheiten vorhersagen lassen, um die Langlebigkeit von SOFC zu verbessern. Bisher konnte die Forschung Abbauerscheinungen an isolierten Elementen und Schnittstellen mit größeren Einheiten wie etwa SOFC oder einzelne Wiederholungseinheiten kaum verknüpfen. Hier konnte das Forschungsteam von SOFC-LIFE mit seinen herausragenden experimentellen und theoretischen Arbeiten wesentlich zu neuen Erkenntnissen beigetragen.
Schlüsselbegriffe
Degradation von Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzelle, Kathode, metallische Leiterbahn, Schnittfestigkeit
