SOC-Degradation 2.0 – Wie Hochtemperatur-Elektrolyseure und -Brennstoffzellen langsamer altern
Elektrolyseure und Brennstoffzellen auf Basis von Festoxid-Elektrolyten (Solid Oxide Cell, SOC) erreichen im Vergleich zu anderen Elektrolyse-Technologien die höchste Effizienz. Die SOC-Technologie ist deshalb ein vielversprechender Ansatz sowohl zur Erzeugung von Grünem Wasserstoff als auch für die Bereitstellung von Strom und Wärme über Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Eine Hürde beim Einsatz der Technologie sind bisher jedoch die Lebensdauer und die Robustheit der Stacks sowie der Systemkomponenten. Das Verbundvorhaben SOC-Degradation 2.0 – koordiniert vom Forschungszentrum Jülich – hat sich zum Ziel gesetzt, eine experimentelle und wissenschaftliche Basis zu schaffen, um die Alterungsprozesse, auch Degradation genannt, in SOC-Stacks und -Systemen besser verstehen und beheben zu können.
Um die Energiewende erfolgreich umzusetzen, bedarf es insbesondere Technologien, die die energiebedingten Umwelt- und Klimabelastungen nachhaltig senken und damit auch die endlichen Energieressourcen schonen. Brennstoffzellen erfüllen diese Anforderung in hohem Maße, da sie chemische direkt in elektrische Energie umwandeln können. Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) eignen sich besonders sowohl zur Energieversorgung in Wohnhäusern als auch für die industrielle Kraft-Wärme-Kopplung. Durch Elektrolyse hergestellter Grüner Wasserstoff hat zudem das Potenzial, die Stahlindustrie sowie die Chemie- und Mobilitätssektoren von fossilen Energieträgern unabhängig zu machen. Die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC) kann insbesondere die Kopplung mit chemischen Synthesen über Power-to-X-Ansätze effizient realisieren. Hierbei stellen SOC-Systeme die einzige Technologie dar, die innerhalb eines Systems beide Betriebsmodi einzeln und/oder reversibel umsetzen kann.
Alterungsphänomene verstehen
Aus technologisch-wissenschaftlicher Sicht sind die Lebensdauer und die Robustheit der SOC-Stacks sowie der Systemkomponenten die entscheidenden Herausforderungen. Dass sie altern, ist zwar weitgehend bekannt, die genauen Mechanismen sind aber noch umstritten. Vor allem die hohe Betriebstemperatur zwischen 600 und 850 Grad Celsius lässt die Komponenten altern. Das zeigt sich in einer Vielzahl korrosiver und thermodynamischer Vorgänge sowie mikro-struktureller Veränderungen der Materialien. Da sich die Prozesse innerhalb der Stacks abspielen, lassen sie sich im laufenden Betrieb nur schwer beobachten.
Um die Industrie aktiv am Projekt zu beteiligen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Vorfeld gemeinsam mit den Herstellern von Zellen, Stacks und anderen Komponenten konkrete Probleme identifiziert, die sie innerhalb des Projekts analysieren werden:
- Mechanische Aspekte der Zellherstellung inklusive Bestimmung und Alterung mechanischer Eigenschaften
- Chrom-Rückhaltewirkung der Schutzschichten
- Luftkontaminanten und deren Zurückhaltung
- Katalysator-Alterung und -Regeneration
- Diagnose der Stack-Degradationseffekte mittels Impedanzspektroskopie
- Degradation der Elektroden im reversiblen SOC-Betrieb, die die Brücke für das Verständnis der Alterungseffekte im SOEC-Betriebsmodus bilden
Alterungsphänome beheben
Die Untersuchungen sollen sichere Aussagen zur Lebensdauer kritischer Systemkomponenten wie Stacks, Zellen und Reformer-Katalysatoren ermöglichen und damit den Grundstein für marktreife SOC-Produkte entlang der gesamten Wertschöpfungskette legen.
Projektbeteiligte
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
- Forschungszentrum Jülich GmbH
- Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
- Karlsruher Institut für Technologie
- HEXIS GmbH
- KERAFOL Keramische Folien GmbH & Co. KG
- MANN+HUMMEL GmbH
- SOLIDPower GmbH
- Sunfire GmbH
Assoziierte Projektbeteiligte
- HORIBA FuelCon GmbH
- Robert Bosch GmbH
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