Maßgeschneiderte Keramikelektroden für protonenleitende Ammoniak Brennstoffzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Sanjay Mathur
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573549755

Ammoniak gilt als vielversprechender kohlenstofffreier Energieträger, da es im Vergleich zu Wasserstoff einfacher gespeichert und transportiert werden kann. In Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapeln lässt sich Ammoniak thermokatalytisch in Wasserstoff und Stickstoff spalten und der freigesetzte Wasserstoff wird anschließend elektrochemisch zu Wasser oxidiert. Während sauerstoffionenleitende Ammoniak Brennstoffzellen (Direct Ammonia Solid Oxide Fuel Cells; DA-SOFCs) Wasser an der Anode erzeugen, was zur Brennstoffverdünnung und beschleunigter Alterung des Elektrodenmaterials führt, bilden protonenleitende DA-SOFCs Wasser an der Kathode, was höhere Effizienz und reduzierte NOx-Emissionen ermöglicht. CERAPACE nutzt die komplementären Stärken der singapurischen und deutschen Partner mit dem zentralen Ziel die Erforschung und Optimierung von (i) mikrostrukturellen und chemischen Veränderungen in Keramikelektroden, die die thermokatalytische Effizienz beeinträchtigen, sowie (ii) inkohärenten Elektrolyt-Elektroden-Grenzflächen, welche die ionisch-elektronische Leitfähigkeit limitieren, zu realisieren. Diese Herausforderung wird durch die komplementäre Synthese und Funktionalisierung von Anodenmaterialien unter Einfluss externer Magnetfelder (UzK, Köln), sowie durch die Kryogel-gestützte Texturierung von Kathodenmaterialien (NUS, Singapur) adressiert. Beide Elektrodenkomponenten werden auf einem Referenzelektrolyten aus BaCe1-xGdxO3-δ (BCGO) prozessiert. Für die anodischen Reaktionen werden Lanthan-basierte Perowskite (z. B. LaₓSrₓCoᵧFezO3, LSCF) durch Funktionalisierung mit Übergangsmetallspinellen (z. B. NiFe2O4, CoFe2O4) sowie Ruthenium (Ru) gezielt modifiziert, um die Effizienz der thermokatalytischen Ammoniakzersetzung zu erhöhen. Im Bereich der Kathodenmaterialien entwickelt die NUS optimierte BSCF-Komposite (Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3₋δ), um eine hohe Sauerstoffreduktionsaktivität (ORR) und Kompatibilität mit dem BCGO-Elektrolyten sicherzustellen. Die Leistungsfähigkeit der DA-SOFCs mit den maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien wird in Langzeittests, sowie durch nachgeschaltete post-mortem Analysen der systematisch evaluiert. Die spezifischen Ziele des Vorhabens umfassen: (i) Chemische Prozessierung von Anodenmaterialien mit gezielter Einstellung der Mikrostruktur und Textur durch Kalzinierung unter externen Magnetfeldern (ii) Funktionalisierung der Anoden durch Immobilisierung ausgewählter Katalysatoren (z. B. Ru, MFe2O4 mit M = Ni, Co), (iii) Entwicklung leistungsfähiger Kathodenmaterialien mit definierter Porosität und Dichte zur Optimierung der Sauerstoffreduktion, (iv) Herstellung von Vollzellen durch gezielte Abscheidung der Kathoden- und Anodenschichten auf dem Referenzelektrolyten (BaCe1-xGdxO3-δ), und (v) umfassende strukturelle, chemische und elektrochemische Charakterisierung sowie Leistungsprüfung der gefertigten DA-SOFCs unter Betriebsbedingungen zur Validierung von Effizienz, Haltbarkeit und Skalierbarkeit der entwickelten Materialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Singapur
• Partnerorganisation: Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)
• Kooperationspartner: Professor Daniel Chua