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Entwicklung einer Mehrschichtanode fuer die SOFC

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.

Demmin, Germany (2015) - a (hyperspectral) dataset for active participation in the HYPERedu MOOC on soil applications

This dataset accompanying the MOOC on soil applications contains an airborne hyperspectral HySpex image over the study site Demmin in Northern Germany which was recorded in October 2015. The surrounding area of Demmin is characterized by its glacial past and is largely used for agriculture. Here you can find relics of the ice age such as kettle holes - small, completely closed hollow shapes whose formation is attributed to the burial and subsequent thawing of an ice lens. Mostly overgrown nowadays by vegetation, SOC accumulates in these areas and higher contents are measured. The image dataset is fully pre-processed – all non-soil pixels are masked, the spectra were smoothed using a Savitzky-Golay Filter and transformed to first derivatives – and provided in BSQ format. In addition to the HySpex image, this dataset contains a point data shapefile with 27 sampling locations, as well as information on the soil organic carbon (SOC) contents [g/kg]. The dataset is made publicly available as part of the Massive Open Online Course (MOOC) "Beyond the Visible - Imaging Spectroscopy for Soil Applications ", available from Spring 2023. Guidance on how to derive quantitative soil maps (SOC content) using the EnMAP-Box (QGIS plugin) are provided as videos at the HYPERedu YouTube channel, the soil MOOC course pages and the regression workflow documentation.

Realising Reliable, Durable Energy Efficient and Cost Effective SOFC Systems (Real-SOFC), Realising Reliable, Durable, Energy Efficient and Cost Effective SOFC Systems (REAL-SOFC)

Objective: The aim of the proposed Integrated Project is to solve the persisting generic problems with planar Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) in a concerted action of the European fuel cell industry and research institutions. Main topics addressed include decreased ageing, cost effective materials, low cost components and manufacturing processes, highest electricity generation efficiency in pressurised operation and waste heat utilisation. In close co-operation between industry and research institutions the following steps are accomplished: *improved understanding of ageing in planar SOFC stacks considering all modes of operation, including pressurised, long-term testing over 10.000 hrs., thermal cycling up to 100 cycles, and the influences of fuel composition; these results will flow into *adaptation of materials and protective coatings in order to reduce ageing to well below 0,5Prozent/1000 hrs., introduction of requirements from pressurised operation to materials and cell development; the modified materials then are used in *manufacturing of improved components under commercial conditions and subsequent characterisation in long- term and cycling tests. Two proofs-of-concept including laboratory equipment tests will address * the pressurised operation of stacks coupled with gas turbines (including pressurised stack development in the 5 and 50 kW range) and *the utilisation of the high-value waste heat for industrial processes , namely sorption cooling. The project addresses the topics of Life Cycle Analysis as an essential tool for assessing the environmental impact and recycling of the materials used, industrial standardisation as a means of lowering costs, and training and dissemination as a tool of human resource management and gender equality. The structure of the project is similar to the U.S. American SECA programme targeted at decisive cost reductions in SOFC systems.

Fuel cell power trains and clustering in heavy-duty transports (FELICITAS)

Objective: The FELICITAS consortium proposes an Integrated Project to develop fuel cell (FC) drive trains fuelled with both hydrocarbons and hydrogen. The proposed development work focuses on producing FC systems capable of meeting the exacting demands of heavy-dut y transport for road, rail and marine applications. These systems will be: - Highly efficient, above 60Prozent - Power dense, - Powerful units of 200kW plus, - Durable, robust and reliable. Two of the FC technologies most suitable for heavy-duty transport applic ations are Polymer Electrolyte FuelCells (PEFC) and Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). Currently neither technology is capable of meeting the wideranging needs of heavy-duty transport either because of low efficiencies, PEFC, or poor transient performance,SO FC. FELICITAS proposes the development of high power Fuel Cell Clusters (FCC) that group FC systems with other technologies, including batteries, thermal energy and energy recuperation.The FELICITAS consortium will first undertake the definition of the requirements on FC power trains for the different heavy-duty transport modes. This will lead to the development of FC power train concepts, which through the use of advanced multiple simulations, will undertake evaluations of technical parameters, reliab ility and life cycle costs. Alongside the development of appropriate FC power trains the consortium will undertake fundamental research to adapt and improve existing FC and other technologies, including gas turbines, diesel reforming and sensor systems f or their successful deployment in the demanding heavy-duty transport modes. This research work will combine with the FC power trains design and simulation work to provide improved components and systems, together with prototypes and field testing where ap propriate.The FELICITAS consortium approach will substantially improve European FC and associated technology knowledae and know-how in the field of heavv-duty transport.

APAWAGS, Reformer für Brennstoffzellenanwendung in der Luftfahrt

FP4-ENV 2C, Global mass balance of persistent semi-volatile organic compounds: an approach with PCB as an indicator

General Information: Several studies show that a large number of semi-volatile organic compounds (SOCs), and among them polychlorinated biphenyls (PCBs), are global pollutants. Atmospheric concentrations of PCBs in remote locations have not decreased or decreased very little since the 1970s, despite regulations that have drastically decreased the production of PCBs. This is a cause of concern since some PCB congeners are likely to cause toxicological effects at the present levels. Are PCB concentrations maintained by continuos diffuse emissions or are old emissions of PCBs being recycled? What is the rate of decrease in remote areas of the globe for different PCB congeners? The proposed project aims to address and quantify the major global loss rates which will also help answer to the question: where will the PCBs end up? In deep-sea water? Coastal sediments? Soil? Or chemically transformed to other substances? Preliminary global mass balance calculations point to the fact that all of these processes may be of significance for the environments capacity to remove pollutants on global scale. The proposed project will therefore be divided into sub-projects focusing on these different processes. Additional sub-projects will be modelling and compilation of data from other sub-projects, emission estimates for the completion of the global mass balance, and a quality assurance program to ensure the quality of all data generated within the project. GLOBAL-SOC involves several aspects of method development and innovative approaches to the assessment of SOCs fate in a global perspective. These issues are of fundamental concern for the environmental policy of the European Union and its individual member states. SOCs are typical transboundary pollutants which must be addressed in international collaborations. This project is focused on PCBs because they are well studied in many aspects, readily analysed in any matrix even at remote locations and since most of the emissions have probably been reduced, the part recycled in the environment can be studied. PCBs in this study shall be seen as a 'model compound group' to give us information about SOCs in general, in particular those SOCs that are in use today or in use until recently, in Europe and in other parts of the world e.g. polybrominated flame retardants, polychlorinated naphtalenes, chloroparaffins, DDT and other chlorinated pesticides. Prime Contractor: Stockholms Universitet, Department of Zoology, Institut foer Tillaempad Miljoeforskning; Stockholm; Sweden.

Einsatz von Hochtemperaturbrennstoffzellen in der Energietechnik. Versuche und Untersuchungen zur Stackentwicklung. Untersuchungen zu Kraftwerkssystemen

Vorliegende Konzepte von kombinierten Kraftwerken mit Hochtemperaturbrennstoffzellen SOFC (Solide Oxide Fuel Cell) fuehrten im Jahre 1991 zu Gesamtwirkungsgraden deutlich unter 70 Prozent. Dies ist nur relativ wenig mehr, als bei heute konzipierten GuD-Kraftwerken mit 58 Prozent erreicht werden kann. Dies war der Ausloeser fuer die eigenen Untersuchungen. Es zeigte sich, dass das bisher verfolgte Konzept einer adiabat betriebenen Brennstoffzelle mit Verbrennungsluftkuehlung fuer diese Begrenzungen verantwortlich ist. Ein neu entwickeltes Kraftwerkskonzept mit der Annaeherung an eine isotherm betriebene Brennstoffzelle fuehrte zu rechnerischen Wirkungsgraden bis 78 Prozent. Eine Planungsstudie zeigt die generelle Machbarkeit des Konzepts. Dabei sind noch nicht alle Moeglichkeiten der Prozessverbesserung ausgeschoepft. Es wird aber schon jetzt deutlich, dass die Weiterentwicklung von kombinierten SOFC-Kraftwerken eine wesentliche Grundlage zur Senkung der CO2-Emission ist. Ein neu entwickelter, nicht vollstaendig reversibler Vergleichsprozess zur Potentialabschaetzung laesst Wirkungsgrade um 80 Prozent erwarten. Ein in der Folge entwickelter vollstaendig reversibler Vergleichsprozess zeigt, dass nur der Zustand der Umgebung und die Art der Verbrennungsreaktion die reversible Arbeit eines Brennstoffzellenkombikraftwerkes bestimmen. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde ein Vergleichsprozess entwickelt, der die Brennstoffaufbereitung einschliesst. Auch hierbei erweisen sich Wirkungsgrade bis 80 Prozent bei erdgasbefeuerten Anlagen als moeglich. Ein theoretisches Modell zur Beurteilung der Scale-up Effekte zeigt, dass bei Leistungsgroessen ueber 1 MW hocheffiziente Kombikraftwerke baubar sind. Eine Umsetzung der Theorie bei kombinierten SOFC-Gasturbinenkraftwerken ist in den USA ab 2000 zu erwarten, eine ersten Versuchsanlage soll 1999 in Kalifornien gebaut werden. Die laufenden eigenen Arbeiten beziehen sich jetzt auf die wirtschaftliche Verbesserung der Kreislaeufe. Bisher wurden Versuche mit planaren Zellen durchgefuehrt. Basierend auf diesen Versuchsergebnissen zeigten eigene Analysen deutliche Vorteile eines roehrenfoermigen Konzeptes gegenueber den bisher betrachteten planaren SOFC. Dies fuehrte zu einem eigenen neuen roehrenfoermigen Konzept. Ein Grundgedanke des neuen Konzeptes ist es, dass technologisch eine Parallelschaltung einzelner roehrenfoermiger Zellelemente zu einer Spannungsebene nur moeglich ist, wenn eine elektrisch leitende weiche Bettung aus Nickelfilz oder aehnlichem Material nicht durch die Verbrennungsluft oxidiert werden kann. Deshalb muss die Aussenseite der Zellen mit Brenngas beaufschlagt werden. Zur Kaskadierung werden die einzelnen Spannungsebenen in Stroemungsrichtung des Brenngases seriell verschaltet.(gekuerzt)

Entwicklung und Fertigung von langzeitstabilen Komponenten fuer Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) der 50 kW-Klasse

Die Entwicklung des Siemens Hochtemperatur-Brennstoffzellenkonzepts soll bis Ende 1995 an einem Stack der 20 kW Klasse nachgewiesen werden. An diesen wichtigen Meilenstein schliesst ein Folgevorhaben an, das Gegenstand der gestellten Foerderung ist. Das flache Zelldesign mit metallischer bipolarer Platte soll im Hinblick auf groessere Stackeinheiten und kostenguenstigere Fertigungsverfahren weiter entwickelt werden. Es wird eine Anlagen- und Stackkomponenten Fertigung in entsprechenden Technika aufgebaut. Das Keramotechnikum wird dahingehend erweitert, dass dort bis zu 12000 PENs (100 x 100 mm2) pro Jahr gefertigt werden koennen. Dort werden bis zu 600 /a bipolare Platten (400 x 400 mm2) gefertigt und montiert. Mit Hilfe dieser Technologie soll das wichtigste Ziel bis Ende 1998, der erfolgreiche Betrieb einer SOFC Anlage der 50 kW Klasse ( Erdgas / Luft ) erreicht werden. Der Stack wird aus 4 Modulen von je 12,5 kW aufgebaut und soll alternativ auch mit Wasserstoff / Sauerstoff bzw. Luft betrieben werden koennen. Schwerpunkt der Technologieentwicklung ist eine Verbesserung der Langzeitstabiltaet bei der die Alterung auf unter 1 Prozent in 1000 Stunden bei Erdgasbetrieb verbessert werden soll. Der Erdgasbetrieb setzt die Beherrschung der internen Reformierung voraus, die in einer parallel laufenden Entwicklungslinie zunaechst an kleineren Stackeinheiten erprobt wird (1-3 kW).

Oekologische Bewertung einer SOFC-Hochtemperaturbrennstoffzelle mittels Stoffbilanzierung und anschliessendem Vergleich mit einer herkoemmlichen Technik (Gasturbine)

Die Aufgabe dieses Projektes besteht darin, mittels einer Analyse der Stoff- und Energiestroeme des Herstellungsweges der Brennstoffzelle bzw. ihrer Materialien eine Einordnung der mit ihrem 'Lebensweg' verbundenen Umweltauswirkungen durch eine Gegenueberstellung mit den entsprechenden Daten fuer eine Vergleichstechnik, hier Gasturbine, zu ermoeglichen.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC), IWE 2

Computerunterstuetzte Material- und Technologieentwicklung fuer die SOFC - Eine Absenkung der derzeitigen Betriebstemperaturen (950 bis 1000 Grad Celsius) der SOFC um mindestens 200 K, die hohe wirtschaftliche Vorteile verspricht, ist nur durch eine gezielte Optimierung der SOFC-Einzelzellen durch eine Verringerung der elektrischen Verluste zu realisieren. Diese Aufgaben erfordern eine Fortsetzung der intensiven Material- und Technologieentwicklung fuer die SOFC, die zunehmend durch eine Modellierung, Simulation und Optimierung der elektrisch und elektrochemisch aktiven Komponenten unterstuetzt werden muss. Zur Beschreibung des elektrischen Verhaltens und zur Identifizierung der Verlustfaktoren in SOFC-Einzelzellen soll ein Simulationsmodell entworfen werden, das auf dem Prinzip der Systemidentifikation basiert. Voraussetzung dafuer sind umfangreiche Messdaten zum Betriebsverhalten sowie spezifische Charakteristika der funktionskeramischen Materialien und SOFC-Einzelzellen vor und nach Betrieb. Derartige Datensaetze liegen am Institut aus bereits abgeschlossenen Industrieprojekten vor und werden im Laufe des Projekts durch elektrochemische Messungen an SOFC-Einzelzellen erweitert. Ziel des Teilprojekts ist sowohl die Unterstuetzung der experimentellen Weiterentwicklung der SOFC-Einzelzellen in den anderen Teilprojekten als auch ihre modellmaessige Beschreibung. Umweltrelevanz: Als elekrochemische Energiewandler ermoeglichen Hochtemperatur-Brennstoffzellen eine direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brenngases (zB Erd- und Kohlegas aber auch Wasserstoff) in elektrische Energie. Kraftwerke auf SOFC-Basis zeichnen sich aufgrund ihres deutlich hoeheren elektrischen Nettowirkungsgrades von bis zu 65 Prozent durch niedrige CO2- und Schadstoffemissionen aus und ermoeglichen eine sowohl umweltfreundliche als auch wirtschaftliche Energieerzeugung.

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