3D-gedruckte Festoxid-Elektrolysezellen der nächsten Generation

Hochtemperatur-(Festoxid)-Elektrolysezellen (SOECs) haben enormes Potenzial eine Schlüsselrolle in der Dekarbonisierung verschiedenster Bereiche einzunehmen. Neben Wasserstoff, ermöglichen SOECs außerdem die Produktion von Synthesegas oder Kohlenmonoxid und weisen überdies den höchsten elektrischen Wirkungsgrad aller Elektrolyse-Technologien auf. Aufgrund dieser Eigenschaften könnten sie als hocheffiziente Power-to-X-Technologie in der Stahl-, Zement und chemischen Industrie eingesetzt werden. Außerdem können die erzeugten Produktgase auch gespeichert und später mit reversiblen SOECs wieder verstromt werden. Dies ermöglicht es den Anteil der fluktuierenden Erneuerbaren Energieträger weiter zu erhöhen.

In diesem Projekt wird ein neues Zelldesign entwickelt und mit innovativen Materialien kombiniert, um die Leistungsdichte und Lebensdauer von SOEC-Systemen signifikant zu verbessern. Dafür wird ein keramisches 3D-Druckverfahren angewendet, um Brennstoffelektroden-gestützte Zellen mit erhöhter aktiver Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichen planaren Zellen zu fertigen. Außerdem werden Strömungsfelder und Gaskanäle direkt in die Zellen eingebracht. Dies ermöglicht eine Vereinfachung und erhebliche Materialeinsparungen der teuren Interkonnekt-Platten und verringert somit die Herstellungskosten. 
Vorab werden CFD- und FEM-Simulationen durchgeführt, um bei einer möglichst großen Oberfläche die Gasströmung sowie auch die Strukturmechanik zu optimieren. Die Ergebnisse der Simulationen fließen direkt in die tatsächliche Umsetzung des 3D-Drucks ein. Für den keramischen 3D-Druck der Brennstoffelektroden bestehend aus einem Ni-YSZ Cermet oder aus Gadolinium dotierten Ceroxid wird die Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)-Methode verwendet.

Da an herkömmlichen Luftelektroden in SOECs häufig gravierende Degradationsphänomene auftreten, wird die vielversprechende Materialklasse der Seltenerd-Nickelate wie z.B. (La,Pr)2NiO4+δ untersucht. Diese Materialien können unter den stark oxidierenden Bedingungen im SOEC-Betrieb zusätzliche Sauerstoff-Ionen aufnehmen. Dies begünstigt den Ionentransport und könnte somit die Bildung von Sauerstoffgas im Zellinneren und die damit verbundene Degradation verhindern. Im Rahmen dieses Projekts wird eine systematische Untersuchung für die optimale Dotierung dieser Materialklasse durchgeführt. Mittels einer kombinatorischen Abscheidemethode wird dabei jeweils die Ca-Dotierung am (La,Pr)-Platz bzw. die Fe-Dotierung am Ni-Platz untersucht. Damit soll sowohl die thermische Stabilität als auch die Kinetik verbessert werden. Durch den Einsatz von Ca und Fe als Dotiermaterial wird dabei gleichzeitig der Anteil kritischer Rohstoffe (La, Pr, Ni) und somit auch die Kosten reduziert. Nach der Herstellung dünner YSZ-Elektrolytschichten mittels Sputtern, werden die neu entwickelten Luftelektroden auf die 3D-gedruckten Brennstoffelektroden-Substrate aufgebracht. Somit deckt dieses Projekt die gesamte Zellherstellung ab. 

Um die Leistung dieser Zellen über die gesamte Lebensdauer zu charakterisieren, sind Langzeitexperimente erforderlich. Übliche Testzeiten dauern mehr als 5000 Stunden und sind daher zeit- und ressourcenaufwändig. Daher werden in diesem Projekt verkürzte Testprogramme entwickelt, welche gezielt beschleunigte Degradation hervorrufen. Dies ermöglicht nicht nur die Vorhersagen des Langzeitverhaltens, sondern auch die Definition passender Betriebsparameter für eine möglichst lange Lebensdauer.

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