Entwicklung verbesserter Anoden in oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) für die Verstromung von Synthesegas aus der thermochemischen Vergasung von Biomasse

• Antragsteller: Dr. Christian Lenser; Professor Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 275388933

Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC) bieten die Möglichkeit, in kleinen dezentralen Systemen Synthesegas aus der thermochemischen Biomassevergasung mit sehr hoher Effizienz in Elektrizität umzuwandeln. Dies wurde schon in mehreren Pilotanlagen mit herkömmlichen SOFC-Brennstoffzellen nachgewiesen. Hauptschwierigkeit sind die im Biosyngas enthaltenen Verunreinigungen wie z.B. schwefel- und chlorhaltige Komponenten oder auch höhere Kohlenwasserstoffe (Teere). Im Rahmen der ersten Projektphase SynSOFC I konnten neue SOFC-Anoden entwickelt, sowie wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der Wirkungsweise verschiedener Kontaminanten auf Standardzellen und neue Zellen gewonnen werden. Gehalte weniger ppm schwefelhaltiger Moleküle bewirkten bereits eine hohe, teilweise reversible Leistungsdegradation. Verschiedene Teersubstanzen hatten indes unterschiedliche Auswirkungen auf die Zellen. Während Toluol kaum Effekte auf die Zellen zeigte, wurden bei Betrieb mit Naphthalin starke, größtenteils reversible Leistungsabfälle, unter Einfluss von Phenol hingegen strukturelle Degradation von Anodensubstratstrukturen ohne erkennbare Abnahme der Zellleistung beobachtet. Da sich während SynSOFC I das Material des Anodensubstrats somit als teilweise anfällig für Degradationsvorgänge herausgestellt hat, soll im Rahmen von SynSOFC II dessen Stabilität ebenso untersucht und optimiert werden, wie die Anode selbst. Es ist daher geplant, die bereits entwickelten Ni/GDC Anoden in elektrolytgestützten Zellen anzuwenden. Zusätzlich sollen vollkeramische Anoden in elektrolytgestützten Zellen untersucht werden. Die Untersuchungen mit Standardanoden aus Ni(O) und 8 YSZ (mit 8 mol% Yttrium dotiertes Zirkoniumoxid) zur Klärung der mikroskopischen Mechanismen, welche für Leistungseinbußen und Degradation verantwortlich sind, werden vertieft. Um das Forschungsvorhaben zu optimieren soll neben der elektrochemischen Charakterisierung nun auch die Untersuchung der chemischen Toleranz der neuen und der Standardanodenmaterialien durchgeführt werden. Der während SynSOFC I aufgebaute Teststand für die Kopplung von SOFC-Stacks mit einem allothermen Wirbelschichtvergaser dient zur Validierung der neu entwickelten Anodenstrukturen auf 10x10cm² Vollzellen in Systemumgebung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Sebastian Fendt; Stephan Herrmann; Dr.-Ing. Norbert H. Menzler