Herstellungsverfahren einer schnell startenden Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)

Bei der Energiewende spielen Brennstoffzellen eine Schlüsseltechnologie-Rolle für zukünftigen Energiesystemen. Insbesondere so genannte Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxid Fuel Cells, SOFC) sind für die dezentrale Energiegewinnung geeignet, da sie eine flexible und hocheffiziente Strom- und Wärmeproduktion aus erneuerbaren und konventionellen Energieträgern ermöglichen. Vorgestellt wird hier ein Herstellungsverfahren für neuartige, mechanisch robuste und effiziente Metallschaum-stabilisierte SOFC (Metal Foam Supported, MFS-SOFC), die schnell hochgefahren und bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden können.

Problemstellung

Das Kernstück einer Brennstoffzelle stellt die Membranelektrodenanordnung (MEA, Membrane Electrode Assembly) dar, die aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht sowie einer dazwischen liegenden separierenden Elektrolytmembran besteht.
Problematisch bei so genannten Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), bei denen die Elektrolytmembran aus einem festen Werkstoff (z.B. einem keramischen Werkstoff) hergestellt ist, sind zumeist die langen Startzeiten, da der Aufwärmeprozess, bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der SOFC, sehr uniform und kontrolliert ablaufen muss, um Beschädigungen der SOFC zu vermeiden. Auch die hohen Betriebstemperaturen von 650 - 1000°C stellen hohe Anforderungen an die Peripherie der Brennstoffzelle dar, da eine effektive Kühlung sowie eine dichte Zu- und Abfuhr der Gase gewährleistet werden muss. Insbesondere die Herstellung der einzelnen Membranstapel-Bestandteile und deren jeweilige Abdichtung stellen prozess- und kostentechnische Probleme dar, die SOFC empfindlich und teuer machen.

Unsere Lösung

Zur Lösung der oben genannten Probleme wird ein Herstellungsverfahren einer mechanisch robusten und energieeffizienten Metallschaum-stabilisierten SOFC (MFS-SOFC) vorgeschlagen, die bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann.
Die erfindungsgemäße SOFC basiert auf einer mechanischen Stützstruktur aus einem offenporigen Metallschaum (z.B. Nickelschaum), auf die mittels Gasphasenabscheidung eine MEA direkt aufgebracht wird (s. Abb.1 A). Hierdurch können dünne Schichtdicken erreicht werden, die die MEA besonders effizient machen. Damit das Material der Anodenschicht der MEA bei der Beschichtung nicht in die Stützstruktur eindringt und eine hohe Materialhomogenität gewährleistet werden kann, wird der Metallschaum temporär mit einem Infiltrationsmedium (bspw. einem Polymer) verschlossen. Anschließend werden die drei funktionellen Schichten der MEA mittels Gasphasenabscheidung (CVD oder PVD) auf die Grenzschicht aufgebracht. Die Beschichtung kann dabei in einem durchgängigen Koverdampfungsprozess erzeugt werden und dadurch fließende Schichtübergänge realisiert werden (s. Abb.1 B). Die MEA kann hierdurch mit deutlich besserer Dichtigkeit hergestellt werden. Das Infiltrationsmedium kann nach dem Beschichtungsprozess durch thermische oder chemische Behandlung leicht wieder entfernt werden. Im Anschluss wird auf der Kathodenschicht eine weitere Stützstruktur aus Metallschaum aufgebracht.

Festoxidbrennstoffzelle in Schnittdarstellung
Abb.1 Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) in Schnittdarstellung. A) Die SOFC weist eine MEA auf, die sich oberhalb in eine Anodenschicht und unterhalb in eine Kathodenschicht, separiert von einer Elektrolytmembran unterteilt. Die MEA ist beidseitig in eine mechanische Stützstruktur aus einem offenporigem Metallschaummaterial eingebettet, der wiederum von einem Rahmen eingefasst ist. Die MEA reicht zur elektrischen Kontaktierung durch den Rahmen hindurch. Über Gas Zu- und Abführleitungen (*) kann das Brenngas bzw. das Oxidationsgas in bzw. aus dem jeweiligen Kompartiment der Brennstoffzelle geleitet werden. B) Ausschnittsvergrößerung der MEA mit Diagramm zur Materialkonzentrationsverteilung. Dargestellt ist eine Detailansicht des MEA Schichtaufbaus mit der darüber dargestellten Stützstruktur (links). Skizziert ist die Verteilung der MEA Materialkomponenten, die auch im Diagramm (rechts) graphisch dargestellt werden. Im Bereich der Anodenschicht besteht die MEA aus Yttrium und Zirkon (YSZ), mit einem nach innen hin abnehmenden Anteil an Nickel (Ni). Der Teil, der die Elektrolytmembran darstellt, besteht nur aus YSZ, während zur Kathodenschicht hin ein zunehmender Anteil an Platin (Pt) beigemischt ist. (Quelle: Adaption nach Patentanmeldung)

Zur Einsparung von Dichtungen bietet es sich an die Einzelzellen im Janus-Prinzip aufzubauen, dazu kann eine Metallschaum Stützstruktur beidseitig mit einer Anodenschicht beschichtet werden, sodass diese als Abgrenzung zwischen zwei benachbarten Zellen dient.
Die so hergestellte SOFC Struktur weist eine sehr gute mechanische und thermische Stabilität auf, kann schnell hochgefahren werden und einer höheren Anzahl an Temperaturzyklen (An- und Abschalten) standhalten. Sie verfügt so über eine höhere Dauerhaltbarkeit und Lebensdauer.
Durch eine Vergrößerung der Dreiphasengrenze im Bereich der Schicht der MEA kann zudem die Stromausbeute und Leistungsdichte erhöht werden, wodurch die Effizienz erhöht wird und die SOFC bei einer geringeren Betriebstemperatur (600°C) betrieben werden kann. Hierdurch werden auch die Anforderungen an periphere Geräte der Brennstoffzelle bezüglich ihrer Thermostabilität, bspw. Zu- und Abführungen für Kühlung und Gase, reduziert, was einen Kostenvorteil für das Gesamtsystem darstellt.

Vorteile

  • erhöhte Dichtigkeit, dadurch höhere Effizienz
  • höhere Stromausbeute und Leistungsdichte
  • verbesserte mechanische Stabilität (schnelleres Hochfahren und längere Lebensdauer)
  • niedrigere Betriebstemperatur (geringere Anforderung an periphere Geräte)

 Anwendungsbereiche

  • Energieerzeugung in Kraftwerke
  • Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerke) / dezentrale Energieversorgung
  • Strom- und Warmwasser- bzw. Heißdampf-Produktion
  • Großsystem für bspw. Schiffe möglich

Entwicklungsstand

Das Beschichtungsprozess wurde erfolgreich im Labormaßstab getestet.

Patentsituation

Deutsche Patentanmeldung: DE102016122888A1

Erteiltes EP-Patent: EP3327848B1

Patentinhaber:
Technische Universität Clausthal

Kontakt

Dr. Tilmann Götze
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: tgoetze(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: MM-2261-T233
www.sciencebridge.de

 

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