Hochtemperaturbrennstoffzellen mit keramischem Festelektrolyt (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer Umweltvertraeglichkeit eine zukunftsweisende Alternative gegenueber konventioneller Energieerzeugung. Die Leistungsfaehigkeit und Lebensdauer der Einzelzellen sind dabei entscheidende Kriterien fuer die wirtschaftliche Nutzung von Brennstoffzellen. Bisherige Untersuchungen haben ergeben, dass es bei Langzeitbetrieb zu irreversiblen Veraenderungen in der Mikrostruktur der Anode kommt, die zu einer Senkung der Leistungsfaehigkeit fuehren. Je nach Belastung der Einzelzellen treten unterschiedliche Degradationsmechanismen auf. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer Anode, die aus mehreren Funktionsschichten besteht, um so die noetige Leistungsfaehigkeit und Langzeitstabilitaet zu liefern. Es soll ein Gradient in der Korngroesse, dem Nickelanteil und somit der Porositaet und der elektrischen Leitfaehigkeit erreicht werden, da die einzelnen Bereiche der Anodenstruktur unterschiedlichen Anforderungen genuegen muessen. So sind an der Grenzschicht Elektrolyt/Anode kleine Koerner erwuenscht, um eine moeglichst grosse Reaktionsflaeche zu erhalten. Wohingegen an der Grenzflaeche Anode/Interkonnektor ein hoher Anteil an grossen Nickelkoernern erforderlich ist, um einen guten elektrischen Kontakt und hohe Porositaet zu gewaehrleisten. Die optimale Zusammensetzung und Mikrostruktur der einzelnen Funktionsschichten soll durch systematische Belastungstests (elektrisch, chemisch, thermomechanisch) an verschiedenen homogenen Modellstrukturen, das sind Cermetproben aus Nickel- und YSZ-Teilchen mit definierter, homogener Zusammensetzung und Mikrostruktur, und durch die elektrochemische Charakterisierung von Einzelzellen mit entsprechenden homogenen Anodenstrukturen ermittelt werden. Vor und nach Durchfuehrung der Belastungstests ist eine umfassende Analyse der Zusammensetzung und Mikrostruktur der Modell- und Anodenstrukturen mittels Elektronenmikroskopie (REM, TEM, EDX, WDX) vorgesehen. Anhand der gewonnenen Ergebnisse soll ein Modell fuer die verschiedenen Verlust- und Degradationsmechanismen in der Anode entwickelt werden.
Kernproblem bei der Nutzung von minderwertigen Brennstoffen in Festbettvergasern ist die sich ergebende stark schwankende Qualität des Holzgases und eine fluktuierende Teerbeladung. Eine Verstromung des Holzgases in Gasmotoren ist bei schlechten und wechselnden Brennstoffqualitäten nicht mehr möglich. Allerdings lässt sich eine Umsetzung dieser Gase ohne Zwischenabkühlung in Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFCs) realisieren, wenn eine geeignete Regelung der SOFC-Module den Betrieb mit Gasen schwankender Qualität ermöglicht. Aus diesem Grund soll im Rahmen des beantragten Projektes die Leistungselektronik der Fa. NOVUM Engineering GmbH dazu verwendet werden, die Auswirkungen schwankender Gasqualitäten online zu detektieren und damit auch bei variablen Gasqualitäten den SOFC-Stack effizient und degradationssicher an thermischen Vergasungsanlagen zu betreiben. Abschätzungen lassen erwarten, dass durch die innovative Ansteuerung der Leistungselektronik besonders bei sehr niedrigen Heizwerten ein sicherer Brennstoffzellenbetrieb bei bis zu 40% höherer Brennstoffzellenleistung möglich wird. Ein existierendes 1 kWel Brennstoffzellenheizgerät soll nach einer Methodenentwicklung im Labor der FAU an einer realen Holzvergasungsanlage der Fa. Spanner - flexibel betrieben mit Brennstoffen unterschiedlicher Qualität - demonstriert werden. Um die technische Machbarkeit dieses Konzeptes nachzuweisen, soll insbesondere untersucht werden 1. die Konzeption und Entwicklung eines Wechselrichters der softwareseitig während des Brennstoffzellenbetriebes eine Impedanzspektroskopie zur Systemdiagnose anwenden kann. 2. die Entwicklung Methoden zur Bestimmung von systemschädlichen Veränderungen der Brennstoffausnutzung am SOFC Stack auf Basis der Ergebnisse der Online-Impedanzspektroskopie und Implementierung einer SOFC-Modulregelkonzepts. 3. die Durchführung von Betriebstest des neu entwickelten Diagnoseverfahrens mit realem Holzgas an einer Vergasungsanlage der Firma Spanner.