Materialien für metallgestützte Festoxidbrennstoffzellen
Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sind Geräte, die mit hohem Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen aus verschiedenen Kraftstoffarten wie Erdgas oder Biogas Strom produzieren. Das Projekt RAMSES (Robust Advanced Materials for metal Supported SOFC) wählte ein innovatives Konzept, um sich mit einigen Problemen von SOFC zu befassen. Dies sind unter anderem eine schlechte Zyklenleistung aufgrund thermischer Ausdehnung oder Redoxspannungen sowie die Verwendung von toxischem Chrom für die Kathode. Das Konzept basiert auf metallgestützten Zellen (MSC), die aufgrund ihrer Robustheit und Wirtschaftlichkeit als die nächste Generation von Festoxidbrennstoffzellen angesehen werden. Tatsächlich versprechen MSC weniger mechanische Fehler, da diese Art von Zelle von Natur aus mechanisch robuster ist, sowie eine Verringerung der Herstellungskosten, weil weniger teure Keramikmaterialien benötigt werden. Außerdem wird die niedrigere Betriebstemperatur zu einer Kostenreduzierung der Bilanzanlagenkomponenten führen. Vor allem die Verbesserung der Leistungen für den Betrieb bei unter 700 °C war ein wesentlicher Punkt der Arbeit, ebenso wie Haltbarkeit und Herstellungswege. Mit diesen Themen befasste sich das EU-finanzierte RAMSES-Projekt, um die Grenzen der SOFC-Technologie zu erweitern. Das technische Ziel der RAMSES bestand darin, trotz der niedrigen Betriebstemperatur (~700 °C) eine SOFC-Zelle mit verbesserter Lebensdauer zu entwickeln. Um eine hohe Leistungen zu erreichen, wurden fortschrittliche Niedertemperatur-Elektroden und Elektrolytmaterialien verwendet. Im Rahmen des Projekts wurden Materialien, Komponenten und Prozesse auf die MSC zugeschnitten. In diesem Sinne wurde ein beschichtetes metallisches Substrat optimiert, um die Ziele der niedrigen Kosten, Sinterbarkeit in wenig oxidierender Atmosphäre und Oxidationsbeständigkeit zu erreichen. Ein angepasstes Elektrolytpulver ermöglichte eine Verringerung der Sintertemperatur um 100 °C im Vergleich zu einem 8YSZ-Referenzpulver. Darüber hinaus wiesen eine modifizierte Ni-8YSZ-Anode sowie eine Nickelat-Kathode niedrige Polarisationswiderstände von 0,37 bzw. 0,2 Ohm.cm² bei 600 °C auf. Die schrittweise Einführung dieser Materialien für MSC führte zu verbesserten Leistungen bei Röhren-MSC. Man erreichte eine Haltbarkeit von über 500 Stunden und 500 Wärmezyklen. Das europäische Gemeinschaftsunternehmen für Brennstoffzellen und Wasserstoff (FCH JU) sowie die Internationale Partnerschaft für Wasserstoff und Brennstoffzellen in der Wirtschaft (IPHE) hatte Kosten und Lebensdauer als wesentliche Hindernisse für eine breite Umsetzung von SOFC identifiziert. Insofern trug das FCH-JU-finanzierte Projekt RAMSES dazu bei, SOFC für einen Markteintritt in naher Zukunft robuster und erschwinglicher zu machen.
Schlüsselbegriffe
Festoxidbrennstoffzelle, metallgestützte Zelle, Elektroden, Elektrolyt, Keramik
