Aufklärung und Prävention der Cr-Vergiftung in Protonkeramikzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Francesco Ciucci
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564000357

Protonenleitende keramische Zellen (PCCs) sind eine vielversprechende Technologie für die umweltfreundliche Wasserstoffproduktion und effiziente Energieumwandlung. Ihre Fähigkeit, bei mittleren Temperaturen (500–600 °C) zu arbeiten, bietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Festoxidzellen, darunter vereinfachtes Systemdesign und die Produktion von hochreinem Wasserstoff. Die durch Chrom(Cr)-Vergiftung verursachte Degradierung von Luftelektroden ist jedoch eine zentrale Herausforderung, die ihre breite kommerzielle Einführung verhindert. Während des Betriebs reagieren flüchtige Cr-haltige Spezies, die aus metallischen Zellkomponenten freigesetzt werden, mit Elektrodenmaterialien und bilden isolierende Verbindungen, die die Leistung und Haltbarkeit entscheidend beeinträchtigen. Das vorgeschlagene Chroma-PRO-Projekt geht diese Herausforderung durch eine systematische Untersuchung an, die rechnergestützte Modellierung mit experimenteller Validierung kombiniert. Durch die strategische Zusammenarbeit zwischen der Universität Bayreuth und der Technischen Universität Danzig verfolgt unsere Forschung vier miteinander verknüpfte Ziele: Aufklärung der grundlegenden Mechanismen auf atomarer Ebene, die die Cr-Adsorption, den Cr-Transport und die Bildung von Sekundärphasen auf PCC-Oberflächen steuern. Bestimmung der Rolle intrinsischer Materialdefekte bei Cr-induzierten Abbauprozessen. Quantifizierung der Auswirkungen von Cr auf die katalytische Aktivität der Elektrode und Ermittlung von Zusammenhängen zwischen Materialeigenschaften und Langzeitstabilität. Entwicklung und Validierung gezielter Materialmodifikationen und Schutzstrategien zur Minderung der Cr-Vergiftung. Unsere Methodik integriert Berechnungen, einschließlich Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen und Kontinuumsmodellierung, mit umfassenden Experimenten, die Materialsynthese, kontrollierte Cr-Expositionstests und langfristige Leistungsbewertung unter realistischen Betriebsbedingungen umfassen. Dieser duale Ansatz ermöglicht sowohl grundlegende Erkenntnisse als auch praktische Lösungen zur Verbesserung der Haltbarkeit von PCC. Der Erfolg dieses Projekts würde ein entscheidendes Hindernis für die Kommerzialisierung von PCC beseitigen, ihre Umsetzung für die Wasserstoffproduktion beschleunigen und die weltweiten Bemühungen zur Dekarbonisierung unterstützen. Über die technologischen Auswirkungen hinaus wird diese Forschung das grundlegende Verständnis von Abbauprozessen in PCCs fördern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Piotr Jasinski; Professor Sebastian Molin, Ph.D.