Entwicklung verbesserter Anoden in oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) für die Verstromung von Synthesegas aus der thermochemischen Vergasung von Biomasse
Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein vielversprechender Ansatz für eine hocheffiziente, kohlenstoffneutrale und dezentrale Stromerzeugung aus fester Biomasse ist die Kopplung eines thermischen Biomassevergasers mit Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), da der Biomassevergaser mit einer Vielzahl von Rohstoffen betrieben werden kann und die SOFC mit allen wichtigen Gaskomponenten des Synthesegases arbeiten kann. Bei der Vergasung entstehen jedoch biogene Nebenprodukte, die die Zelle beschädigen können. Bisherige Ansätze sahen die vollständige Entfernung dieser Stoffe vor, was die Komplexität und die Kosten des Gesamtsystems sowie die Menge des anfallenden Abfallmaterials erhöht. Das Projekt SynSOFC 2 konzentrierte sich auf die Untersuchung der chemischen und elektrochemischen Wechselwirkung von Materialien für Festoxidzellen (SOC) mit Syngasverunreinigungen, insbesondere Teer. Ziel war es, die Widerstandsfähigkeit der SOC zu verbessern, indem neue Materialien auf ihre Stabilität gegenüber Vergiftungen untersucht wurden. Chemische Toleranzen (WP1a) wurden mit dem neu entwickelten Anodenmaterial-Prüfstand untersucht, wobei die Gasreaktionen und die katalytische Aktivität in Echtzeit analysiert und Proben für Post-Mortem-Untersuchungen hergestellt wurden. Elektrochemische Untersuchungen (WP1b) untersuchten Ni-8YSZ-gestützte Zellen mit verschiedenen Brennelektroden, wobei unterschiedliche Robustheit und Kohlenstoffablagerungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen festgestellt wurden. Die Verwendung einer mit Gadolinium dotierten Ceroxid-Elektrode erhöhte die Robustheit bei internen Reformierungsbedingungen nicht. Ein neues modulares 5x5 cm²-Zellengehäuse wurde entwickelt. Bei der Anodenentwicklung (WP2a) wurde die Interdiffusion beim Austausch von Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) durch Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC) untersucht, wobei die Rolle einer Sperrschicht hervorgehoben wurde. Bei der Entwicklung von keramischen Anoden (CA) wurden diese Materialien für gelöste Metallkatalysator-Nanopartikel untersucht, wobei mögliche Probleme mit der Phasenstabilität aufgedeckt wurden. Stack-Tests (WP3) befassten sich mit den Herausforderungen bei der Kopplung eines SOFC-Shortstacks mit einem Flugstromvergaser für einen stabilen Betrieb. Die Post-Mortem-Analyse (WP4) zeigte den starken Abbau des Ni-8YSZ-Materials in Degradationsversuchen auf. Insgesamt bot das Projekt Einblicke in die Bewältigung von Degradationsproblemen, die Erforschung neuer Materialien und das Verständnis von Degradationsmechanismen und trug so zur Weiterentwicklung der Festoxidzellentechnologie bei.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Flexible and Modular Fully Metallic Housing Concept for Solid Oxide Fuel Cells. ECS Transactions, 103(1), 1817-1826.
Steinrücken, Benjamin; Herrmann, Stephan; Hauck, Maximilian & Spliethoff, Hartmut
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“Coupling a SOFC Short Stack with an Entrained Flow Gasifier"; Conference Poster at EFCF 2022
B. Steinrücken; S. Herrmann; M. Hauck; P. Johne; P. Leuter; A. Ewald; L. Pusterhofer; A. Schwiers; C. Lenser; N. H. Menzler & H. Spliethoff
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Experimental Investigation of Naphthalene Induced Degradation of Reversible Solid Oxide Cells Operated on Bio-Syngas. ECS Transactions, 111(6), 1889-1900.
Steinrücken, Benjamin; Herrmann, Stephan; Feigl, Karsten; Schwiers, Alexander; Lenser, Christian; Menzler, Norbert H. & Spliethoff, Hartmut
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Interdiffusion at electrochemical interfaces between yttria-stabilized zirconia and doped ceria. Journal of the European Ceramic Society, 43(14), 6189-6199.
Schwiers, Alexander; Lenser, Christian; Guillon, Olivier & Menzler, Norbert H.
