Entwicklung einer verkokungsresistenten und oxidationsstabilen Anode für die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)

Hintergrund

Brennstoffzellen sind Energiewandler, die sich derzeit in der Markteinführung befinden. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen die Stromversorgung für mobile, portable und stationäre Anwendungen. Brennstoffzellen zeichnen sich durch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, geringe Emissionen und einen flexiblen bzw. modularen Aufbau aus. Als Nachteile sind die hohen Kosten und die noch unzureichende Lebensdauer zu nennen. Weltweit werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Brennstoffzellensysteme zu optimieren.

Motivation / Strategie

Vor dem Hintergrund der angestrebten stärkeren Nutzung regenerativer Energiequellen für die Stromerzeugung kommt der energieeffizienten Gewinnung von elektrischem Strom aus Biogas auch im kleinen Leistungsbereich daher eine große Bedeutung zu. Im Gegensatz zu Wind- und Solarenergie steht Biogas rund um die Uhr zur Verfügung, wenn auch mit saisonalen Schwankungen. Brennstoffzellen erreichen höhere Wirkungsgrade als Gasmotoren, vor allem bei kleiner Leistung, da sie anders als thermodynamische Kreisprozesse keiner Beschränkung durch den Carnot-Wirkungsgrad unterliegen. Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) eignet sich besonders für die Nutzung von Erdgas und Biogas als Brennstoff: zum einen, da sie die höchsten elektrischen Wirkungsgrade verspricht, etwa 45-60%, und zum anderen, weil sie prinzipiell auch Kohlenwasserstoffe direkt umsetzen kann und CO₂ toleriert.

Stand der Technik

SOFCs heutiger Bauart sind in der Regel mit einer keramisch-metallischen Anode (Cermet) ausgestattet, die Ni als Elektronen leitende, metallische Komponente und Yttriumstabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) als Ionen leitende, keramische Komponente enthält. In kohlenstoffhaltiger Atmosphäre ist Ni allerdings sehr anfällig gegenüber Verkokung. Eine Minderung der Verkokung wurde durch Zusatz von Elementen der Gruppe IV (z. B. Sn und Pb) und Gruppe V (z.B. Sb und Bi) an Ni beobachtet^[1]. Padeste et al.^[2] untersuchten die Aktivität vom Sn-dotierten Ni/Al₂O₃-Katalysator für Biogas und stellten fest, dass kleine Beimengen an Sn (<1%) eine selektive Vergiftung der Kohlenstoffbildung bewirken. Als mögliche Ursache für die Inhibierung der Verkokung wurde eine geringere Löslichkeit des Kohlenstoffs in das mit Sn modifizierte Ni-Material postuliert. Durch intensive Untersuchungen der mechanistischen Ursachen von "metal dusting" am DECHEMA Forschungsinstitut (DFI) wird auch die Änderung der Gitterparameter von Nickel durch die Legierung mit Zinn als inhibierender Faktor angenommen ^[3].

Projektziele

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer verkokungsresistenten und oxidationsstabilen Ni-Anode mit Beimengen an Sn für den direkten Einsatz von Erdgas und gereinigtem Biogas in der oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC). Um die anspruchsvollen Forschungsaufgaben erfolgreich durchführen zu können, haben sich zwei Arbeitsgruppen des DFI mit langjähriger Expertise im Bereich Brennstoffzellen und Hochtemperaturwerkstoffe zusammengeschlossen. Die Industrie soll von Anfang an intensiv eingebunden und am Erfahrungsaustausch beteiligt werden sowie den Entwicklern beratend zur Seite stehen.

Literatur

[1] I. Ul-Haque and D.L. Trimm, Catalyst for steam reforming of hydrocarbons, DK/09.08.09/DK 1898/90 (1991).

[2] C. Padeste, D. L. Trimm, Characterization of Sn doped Ni/Al2O3 steam reforming catalysts by XPS, Catalysis

Letters 17, (1993), 333-339.

[3] D. J. Young, J. Zhang, C. Geers, M. Schütze,Materials and Corrosion 62 (2011) 7-28.

Das IGF-Vorhaben Nr. 17473 - N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.