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Herstellungsverfahren einer schnell startenden Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)


Kurzfassung

Bei der Energiewende spielen Brennstoffzellen eine Schlüsseltechnologie-Rolle für zukünftigen Energiesystemen. Insbesondere Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sind für die dezentrale Energiegewinnung geeignet. Vorgestellt wird ein Herstellungsverfahren für robuste MFS-SOFC, die schnell hochgefahren und bei niedrigen Temperaturen betrieben werden können.


Hintergrund

Bei der Energiewende spielen Brennstoffzellen eine Schlüsseltechnologie-Rolle für zukünftigen
Energiesystemen. Insbesondere so genannte Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxid Fuel Cells, SOFC)
sind für die dezentrale Energiegewinnung geeignet, da sie eine flexible und hocheffiziente Strom- und
Wärmeproduktion aus erneuerbaren und konventionellen Energieträgern ermöglichen. Vorgestellt wird
hier ein Herstellungsverfahren für neuartige, mechanisch robuste und effiziente Metallschaum-
stabilisierte SOFC (Metal Foam Supported, MFS-SOFC), die schnell hochgefahren und bei niedrigeren
Temperaturen betrieben werden können.


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Problemstellung

Das Kernstück einer Brennstoffzelle stellt die Membranelektrodenanordnung (MEA, Membrane
Electrode Assembly) dar, die aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht sowie einer dazwischen
liegenden separierenden Elektrolytmembran besteht.
Problematisch bei so genannten Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), bei denen die Elektrolytmembran
aus einem festen Werkstoff (z.B. einem keramischen Werkstoff) hergestellt ist, sind zumeist die langen
Startzeiten, da der Aufwärmeprozess, bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der SOFC, sehr uniform und kontrolliert ablaufen muss, um Beschädigungen der SOFC zu vermeiden. Auch die hohen Betriebstemperaturen von 650 - 1000°C stellen hohe Anforderungen an die Peripherie der Brennstoffzelle dar, da eine effektive Kühlung sowie eine dichte Zu- und Abfuhr der Gase gewährleistet werden muss. Insbesondere die Herstellung der einzelnen Membranstapel-Bestandteile und deren jeweilige Abdichtung stellen prozess- und kostentechnische Probleme dar, die SOFC empfindlich und teuer machen.


Lösung

Zur Lösung der oben genannten Probleme wird ein Herstellungsverfahren einer mechanisch robusten
und energieeffizienten Metallschaum-stabilisierten SOFC (MFS-SOFC) vorgeschlagen, die bei
niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann.
Die erfindungsgemäße SOFC basiert auf einer mechanischen Stützstruktur aus einem offenporigen
Metallschaum (z.B. Nickelschaum), auf die mittels Gasphasenabscheidung eine MEA direkt
aufgebracht wird (s. Abb.1 A). Hierdurch können dünne Schichtdicken erreicht werden, die die MEA
besonders effizient machen. Damit das Material der Anodenschicht der MEA bei der Beschichtung
nicht in die Stützstruktur eindringt und eine hohe Materialhomogenität gewährleistet werden kann, wird
der Metallschaum temporär mit einem Infiltrationsmedium (bspw. einem Polymer) verschlossen.
Anschließend werden die drei funktionellen Schichten der MEA mittels Gasphasenabscheidung (CVD
oder PVD) auf die Grenzschicht aufgebracht. Die Beschichtung kann dabei in einem durchgängigen
Koverdampfungsprozess erzeugt werden und dadurch fließende Schichtübergänge realisiert werden
(s. Abb.1 B). Die MEA kann hierdurch mit deutlich besserer Dichtigkeit hergestellt werden. Das
Infiltrationsmedium kann nach dem Beschichtungsprozess durch thermische oder chemische
Behandlung leicht wieder entfernt werden. Im Anschluss wird auf der Kathodenschicht eine weitere
Stützstruktur aus Metallschaum aufgebracht.


Vorteile

• erhöhte Dichtigkeit, dadurch höhere Effizienz
• höhere Stromausbeute und Leistungsdichte
• verbesserte mechanische Stabilität (schnelleres Hochfahren und längere Lebensdauer)
• niedrigere Betriebstemperatur (geringere Anforderung an periphere Geräte)


Anwendungsbereiche

• Energieerzeugung in Kraftwerke
• Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerke) / dezentrale Energieversorgung
• Strom- und Warmwasser- bzw. Heißdampf-Produktion
• Großsystem für bspw. Schiffe möglich


MBM ScienceBridge GmbH

Dr. Tilmann Götze
0551-30724 159
tgoetze@sciencebridge.de
www.sciencebridge.de
Adresse
Hans-Adolf-Krebs-Weg 1
37077 Göttingen



Entwicklungsstand

Labormuster


Patentsituation

  • EP 3327848B1 erteilt
  • DE 102016122888A1 anhängig

Stichworte

MBM ScienceBridge GmbH, TU Clausthal, TUC, Georg-August-Universität Göttingen, Technologietransfer, Technologieangebot, Brennstoffzelle, Wasserstoff, Beschichtung, Energie, Strom, erneuerbar, Energiewende

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TransferAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsführerin)

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