Energieumwandlung

Im Rahmen des Klimawandels und der Energiewende steigt das Interesse an der Nutzung von Wasserstoff und/oder Ammoniak als sekundärem Energieträger. Entscheidend für den Beitrag dieser Energievektoren zur Energiewende ist die gesamte Kette von der Erzeugung, der Speicherung und Verteilung, bis zur Rückwandlung in Nutzenergie durch unterschiedliche Technologien, wie z.B. Festoxidbrennstoffzellen (SOFC). Hauptproblem bei den typischen SOFC ist die hohe Betriebstemperatur von z.Zt. ca. 900 °C. Neben den klassischen sauerstoffionenleitenden SOFC finden daher protonenleitende Systeme (PCFC) zunehmendes Interesse, weil sie niedrigere Betriebstemperaturen und weitere Vorteile, wie z.B. keine Verdünnung des Brennstoffs versprechen.


Um die Verluste zu minimieren und auch die Arbeitstemperaturen in den Bereich von 400-600 °C zu senken, sollen künftig protonenleitende Dünnschichtelektrolyte und Dünnschichtkathoden verwendet werden. Die Transporteigenschaften der Dünnschichtsysteme werden dabei sowohl von den spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften des Elektrolyten, als auch von der Mikrostruktur, welche entscheidend vom Herstellungsprozess abhängt, bestimmt.

Das übergeordnete Ziel in diesem Bereich ist es unter Nutzung der nasschemischen Beschichtungstechnologie verschiedene Funktionsschichtmaterialien zur Realisierung der nächsten Generation von Festoxidbrennstoffzellen basierend auf protonenleitenden Elektrolyten zu untersuchen.



Projekt „NH3AVI“:

Das neue vom DLR geförderte Verbundvorhaben hat als übergeordnetes Ziel die gegenwärtigen Limitationen der SOFC in Bezug auf dynamische Anwendungen zu überwinden und eine hohe Zyklenfestigkeit bei hoher Effizienz zu realisieren.

Hierzu sollen ein neues Design und skalierbare Fertigungsverfahren für eine Direkt-Ammoniak-Festoxid-Brennstoffzelle (DA-SOFC) zum Einsatz in der Luftfahrt entwickelt werden. Im Rahmen des Vorhabens wird ein neuartiges metallgeträgertes Zelldesign für eine PCFC zur direkten Nutzung von Ammoniak entwickelt, welches eines Fertigungsverfahrens bestehend aus mehreren sequenziellen Prozessschritten bedarf (Abb. 1). Die Phasenreinheit von Substrat-, Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien, die Mikrostruktur sowie die Stabilität von Grenzflächen im Mehrlagen-System der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) stehen im Fokus des innovativen Kerns des Gesamtprojektes.


Diese MEA wird auf der Basis eines Metallsubstrates und eines protonenleitenden BZY-Elektrolyts umgesetzt. Die vier Partner im Verbund kombinieren für die Herstellung der Ni-BZY/BZY/LSCF-MEA verschiedene Prozesse: Plasmasprühen, nasschemische Synthese, Ultraschallsprühen und Laser-Annealing. Das INP wird im Vorhaben die Oberfläche des metallischen Substrates auf der Basis von Stahl mittels eines Plasmasprühverfahrens mit einer graduierten Porosität versehen. Das IWE2 entwickelt eine Diffusionsbarriere mittels Spin-Coating und Rakeln, um Cross-Diffusion aus dem Substrat in die MEA zu limitieren. Für die MEA-Synthese werden durch die Partner ZBT und ILT die Anode, der Elektrolyt und die Kathode mittels eines kombinierten Sprüh- und Laser-Annealing-Verfahrens auf das beschichtete metallische Substrat aufgebracht. Alle Prozessschritte zur MEA-Entwicklung werden fortlaufend durch die Analyse der Mikrostruktur und der Kristallstruktur begleitet und optimiert.

Aufgabe des IWE2:

Das IWE2 beschäftigt sich im Rahmen seines Teilvorhabens mit der Entwicklung maßgeschneiderter Präkursorenlösungen zur nasschemischen Herstellung (CSD-Prozess [1]) verschiedener Funktionsschichten, die zum Aufbau einer MEA und damit zur Realisierung einer DA-SOFC erforderlich sind. Die vorgesehenen Schichten umfassen eine Diffusionsbarriere und die darauf aufgebrachten Anoden-, Elektrolyt-, und Kathodenschichten. Die Diffusionsbarriere, die sowohl die Porosität des porösen Metallträgers reduziert als auch die Kreuz-Diffusion der Legierungsbestandteile des Metallsubstrates in die MEA limitiert, wird mittels Spin-Coating und Rakeln aufgebracht. Die Schichtabscheidung für die MEA mit den am IWE2 entwickelten Beschichtungslösungen erfolgt beim Verbundpartner ZBT und die anschließend notwendige thermische Nachbehandlung mittels Laserstrahlung beim Verbundpartner ILT. Das IWE2 führt die erforderlichen Anpassungen der Präkursorenlösungen im Hinblick auf den kombinierten Sprüh- und Laser-Annealing Prozess in enger Zusammenarbeit mit den Partnern durch. Zur iterativen Optimierung der verschiedenen Präkursorenlösungen, auch im Hinblick auf die erzielbaren Materialeigenschaften, führt auch das IWE2 Beschichtungsexperimente sowohl auf Modellsubstraten als auch auf den porösen Metallsubstraten durch, wobei hier konventionelle thermische Prozesse eingesetzt werden. Die so hergestellten Schichten werden morphologisch (XRD, SEM, AFM etc.) und elektrisch (Van-der-Pauw, Hochtemperatur-Impedanzspektroskopie) charakterisiert, um damit die Eigenschaften der modifizierten Präkursorenlösungen in Kombination mit den Schichtherstellungsprozessen zu evaluieren.


Für dieses Projekt ist aktuell eine Promotionsstelle ausgeschrieben.