Entwicklung von miniaturisierten keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellenkomponenten mittels ressourcenschonender Massenfertigungsverfahren

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) ist ein umweltfreundliches Energiesystem das bei Betriebstemperaturen zwischen 800 - 1000 °C sauerstoffionenleitend wird und sowohl fossile Primärenergieträger als auch erneuerbare Sekundärträger zur Wärme und Stromgewinnung bei gleichzeitig geringen Emissionen, Abgas ist bei Einsatz von Wasserstoff und Luft reines Wasser, nutzen kann. Derzeitige Hauptprobleme der SOFC und deren Marktfähigkeit bestehen aufgrund der hohen Temperaturen insbesondere im Einsatz von teuren keramischen Materialien mit teilweise zu geringen katalytischen Aktivitäten der Elektroden sowie unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, bei der Herstellung z.B. durch Co-sintern sowie bei der thermischen Zyklisierbarkeit der Zellen. Des Weiteren sind die Kostenziele der EU wie auch des US - Marktes für SOFCs, die mittelfristig Kosten unter 1000 €/kW vorsehen und längerfristig sogar untere 100 €/kW, derzeit nicht erreicht.

Das grundlegende Ziel dieses Projektes ist die Evaluierung und Entwicklung eines Ressourcen schonenden und energieeffizienten Massenfertigungsverfahrens für die Herstellung von miniaturisierten oxydkeramischen Hochtemperatur Brennstoffzellen (SOFC) Komponenten.

Im speziellen werden dabei die folgenden technischen Ziele verfolgt:

• Entwicklung und Herstellung von nano-skaligen keramischen Hochtemperatur Brennstoffzellen Materialien zur Senkung der Sintertemperaturen.
• Entwicklung von geeigneten Feedstocks für das Co-Sintern von nano-skaligen keramischen Hochtemperatur Brennstoffzellen Materialien.
• Evaluierung von Ressourcen schonenden Massenfertigungsverfahren wie Powder Injection Moulding, Extrusion und Dip-Coating für die Herstellung von mehrschichtigen miniaturisierten keramischen Hohlkörpern.
• Entwicklung eines energieeffizienten Co-Sinterverfahrens für die Herstellung von miniaturisierten keramischen Mehrschicht-Hohlkörpern.
• Assemblierung und Test eines Hochtemperatur Brennstoffzellen Stacks.

Die Entwicklung von nano-skaligen oxidkeramischen Hochtemperatur Brennstoffzellen SOFC-Materialien für die energieeffiziente Herstellung der Anoden/Elektrolyt/Kathoden (AEK)-Einheiten wird über hydrothermale und Sol-gel Synthesen erfolgen. Um einen Vergleich zu Standardmaterialien zu ermöglichen werden die entsprechenden SOFC-Materialien auch über normale Fällungsreaktionen hergestellt bzw. soweit möglich zugekauft. Die anschließende Entwicklung von extrusions- oder spritzgussfähigen Feedstocks soll durch gezielte Einstellung und Abstimmung der rheologischen Eigenschaften der keramischen Materialien, z.B. mittels Variation von Lösungsmittel, Binder und Additiven, erfolgen und so das Co-Sintern der AEK-Einheiten ermöglichen. Die so aufeinander abgestimmten Elektrolyt und Elektroden Materialien werden dann durch Einsatz von Massenfertigungsverfahren wie Powder Injection Moulding, Extrusion und Dip-Coating zu keramischen AEK-Einheiten, so genannten Grünkörpern verarbeitet.

Diese Grünkörper werden dann durch Co-Sintern, wobei die jeweiligen Lösungsmittel, Binder und Additive entfernt werden, unter speziellen Temperatur Bedingungen und Gasatmosphären zunächst zu Braunkörpern und anschließend zu den fertigen AEK-Einheiten überführt. Die so hergestellten AEK-Einheiten werden charakterisiert, z.B. auf ihre Temperaturwechselbeständigkeit und dann zu einem SOFC-Brennstoffzellen-Stack zusammengefügt der auf seine elektrische Performance getestet werden soll.

Die in diesem Projekt erwarteten Ergebnisse beruhen auf der Kombination innovativer Material- und Verfahrensentwicklung für die Herstellung der AEK-Einheiten. Im speziellen wird durch die Einsparung zweier Sinterschritte mittels Co-Sintern der Materialien eine energieeffizientere Herstellung der Brennstoffzellen Komponenten erwartet. Durch den Einsatz von nano-skaligen Materialien soll dabei gleichzeitig auch eine Senkung der Sinter-Temperatur erreicht werden. Zusätzlich erfolgt bereits während der Herstellung der Grünkörper eine Qualitätskontrolle mittels Thermografie, wodurch möglicherweise vorhandene fehlerhafte Einheiten bereits vor dem Co-Sintern aussortiert und somit Ressourcen schonend nach entsprechender Aufbereitung anschließend dem Feedstock wieder zugeführt werden können.

Neben diesen verfahrenstechnischen und Umwelt relevanten Ergebnissen wird ein erster Prototyp eines energieeffizienten miniaturisierten Hochtemperatur Brennstoffzellen Stacks angestrebt.

Projektleiter

Dr. Nils Stelzer
Tel.: +43 (0) 50550/3351
E-Mail: nils.stelzer@arcs.ac.at

Projekt- bzw. Kooperationspartner

• ALPPS Fuel Cell Systems GmbH,
  Peter. Claassen, GF,
  Dipl.-Ing. Gerhard Örtelt
  Exerzierplatzstraße 4,
  8051 Graz
  Tel.: +43 (0) 316-681284 - 10,
  Fax: +43 (0) 0316-681284-19,
  E-Mail: peter.claassen@alpps.at
• Gabriel-Chemie Gesellschaft m.b.H.
  Andreas Eder
• Ernst Wittner Ges.m.b.H.
  Ing. Wolgang Wittner
  Peter Wittner

Kontakt

o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Erich Gornik
2444 Seibersdorf
Tel.: +43 (0) 50550/4010
Fax: +43 (0) 50550**
E-Mail: erich.gornik@arcs.ac.at