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Lehrstuhl für Physikalische Chemie

SOFC-SALT (Solid Oxide Fuel Cell – Stationary Accelerated Life Testing)

Synopsis

Es sollen experimentelle Daten für die Schädigungsrechnung von SOFC-Zellen und –Stacks unter verschiedenen, anwendungsnahen Testbedingungen generiert werden. Mittels (Weiter-) Entwicklung und Einsatz von Simulationstools, Mess- und Testsystemen sollen grundlegende, neue Daten erarbeitet werden, welche die Abschätzung von sinnvollen Raffungsfaktoren für eine Reihe von wichtigen Fehlermoden im stationären SOFC-Betrieb ermöglichen.

 

Beteiligte Personen

·          Projektleitung: Dr. Vincent Lawlor (AVL)

·          Teilprojektleitung MUL: Assoz.Prof. Dr. Edith Bucher

·          Projektmitarbeiter: Edith Bucher, Andreas Egger, Peter Gsaxner, Martin Perz, Nina Schrödl, Werner Sitte

 

Projektpartner

·          AVL-List GmbH

·          TU Graz (Institut für Wärmetechnik)

·          Externer Partner (per LOI): Fraunhofer IKTS Dresden (DE)

 

Kurzfassung

Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFCs) stellen eine effektive und nachhaltige Technologie zur Reduktion der österreichischen CO 2-Emissionen und zur Deckung des Energiebedarfs dar. Im Rahmen der Technologieentwicklung zur stationären Nutzung von SOFC-Systemen ist jedoch insbesondere die Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit ein kritisches und ungelöstes Problem, welches die breite Markteinführung bislang verhindert hat. Systemintegrierern steht derzeit keine Möglichkeit zur Qualifizierung der SOFC-Stack-Zuverlässigkeit und –Lebensdauer zur Verfügung. Das Konsortium ist der Überzeugung, dass in dieser Hinsicht großer Forschungsbedarf zu neuen Methoden der Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranalyse besteht. Im beantragten Forschungsprojekt soll eine neue Methodik entwickelt werden, welche anhand von aussagekräftigen Raffungsfaktoren eine statistische Qualifizierung der wichtigsten Fehlermoden von stationär betriebenen SOFC-Stacks ermöglicht.

Zu diesem Zweck werden im Rahmen des Projektes experimentelle Daten für die Schädigung von SOFC-Komponenten, -Zellen und -Stacks unter verschiedenen, anwendungsnahen Testbedingungen generiert. Mittels (Weiter-) Entwicklung und Einsatz von Simulationstools, Mess- und Testsystemen sollen grundlegende, neue Daten erhalten werden, welche die Abschätzung von sinnvollen Raffungsfaktoren für eine Reihe von wichtigen Fehlermoden im stationären SOFC-Betrieb ermöglichen.

Grundlagenforschung seitens der universitären Partner stellt einen essentiellen Faktor zur Erreichung dieses Ziels dar. Die Montanuniversität Leoben wird experimentelle, grundlagenorientierte Untersuchungen zur Langzeitdegradation von SOFC-Kathoden und Kathoden-Elektrolyt-Interfaces durchführen und das Konsortium durch die Lieferung von elektrochemischen und kinetische Messergebnissen und post mortem Untersuchungen unterstützen. An der TU Graz werden Tests durchgeführt, welche neue Daten zur Stabilität von Zellen/Stacks gegen (kombinierte) Vergiftungsreaktionen und mechanische Belastung unter anwendungsnahen Bedingungen liefern. IKTS wird Unterstützung bei der Beschaffung der SOFC Hardware leisten und wie im LOI (s. Anhang) dargestellt kooperieren.

Basierend auf diesen Forschungsaktivitäten wird AVL die gewonnenen Daten/Erkenntnisse in die Entwicklung der Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranalysetools einfließen lassen. Diese auf physikalischen und ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien basierte Methodik soll durch einen „proof-of-concept“ Zuverlässigkeits- und Lebensdauertest validiert werden. Die Methodik zur elektrochemischen Systemüberwachung und –diagnose soll schlussendlich zu praktischen und kosteneffektiven Verbesserungen im Bereich der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von stationären SOFC-Systemen beitragen.

Dieses   Projekt  wird   aus   Mitteln   des   Klima- und   Energiefonds gefördert   und   im   Rahmen   des Energieforschungsprogramms 2015 durchgeführt.

      

SENTECH (Seltenerdnickelate für zukünftige Energietechnologien)

Synopsis

Ziel des Projektes ist das detaillierte Verständnis des Masse- und Ladungstransportes, der Defektchemie, sowie des Sauerstoff-/Wasserstoffaustausches in neuen, substituierten Seltenerdnickelaten im Hinblick auf deren Anwendung in zukünftigen Energietechnologien.

 

Beteiligte Personen

·          Projektleitung: Assoz.Prof. Dr. Edith Bucher

·          Projektmitarbeiter: Christian Berger, Edith Bucher, Andreas Egger, Peter Gsaxner, Nina Schrödl, Anna Strasser, Werner Sitte

 

Projektpartner

·          Zentrum für Elektronenmikroskopie, Graz

·          Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

 

Kurzfassung

Oxidkeramiken mit hoher Sauerstoff- und Wasserstoffionenleitfähigkeit, hoher elektronischer Leitfähigkeit und hoher katalytischer Aktivität bieten eine Reihe von zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten im Energiebereich, wie z.B. Elektroden in Hochtemperaturbrennstoff- und -elektrolysezellen, keramische Membranen zur selektiven Sauerstoff- oder Wasserstofftrennung, elektrochemische Sauerstoff- bzw. Wasserstoffsensoren und heterogene Katalysatoren. Seltenerdnickelate A n+1 B nO 3n+1 ( = La, Pr, Nd; = Ni; = 1,2,3 etc.) besitzen eine der höchsten derzeit bekannten Diffusivitäten und ionischen Leitfähigkeiten für Sauerstoff bei gleichzeitiger guter elektronischer Leitfähigkeit. Durch Substitution dieser Verbindungen auf dem A- und B-Gitterplatz bietet sich die Möglichkeit, deren Materialeigenschaften gezielt zu variieren. Bedingung hierfür ist allerdings ein tiefergehendes Verständnis der Masse- und Ladungstransporteigenschaften, Defektchemie und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der neuen Verbindungen, welche noch wenig erforscht sind. Besonders über die vermutete Protonenleitfähigkeit in diesen Materialien gibt es kaum Untersuchungen.

Im gegenständlichen Projekt sollen auf Basis strukturchemischer Überlegungen vielversprechende neue Zusammensetzungen von A- und B-Platz substituierten Seltenerdnickelaten hergestellt und hinsichtlich Struktur-Eigenschaftsbeziehungen charakterisiert werden. MUL konzentriert sich dabei auf die Synthese der Materialien und deren Charakterisierung hinsichtlich Phasenreinheit, Sauerstoffnichtstöchiometrie, Sauerstoffaustauschkinetik und ionischer bzw. elektronischer Leitfähigkeit. MPI ergänzt diese Aktivitäten um die experimentelle Bestimmung der Sauerstoff- bzw. Wasserstoffaustauscheigenschaften an Dünnschichtelektroden und die Aufklärung der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen. Die gemeinsam erarbeiteten Ergebnisse von MUL und MPI fließen in die Erstellung von defektchemischen Modellen für die neuen Materialien ein, wobei neben den elektronischen Spezies und O-Defekten erstmals auch H-Defekte berücksichtigt werden. Das ZFE ermöglicht die Korrelation der von MUL und MPI untersuchten Masse- und Ladungstransporteigenschaften mit den mikrostrukturellen Eigenschaften durch begleitende Analysen mittels hochauflösender Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM). Unter anderem sollen im Rahmen dieser Arbeiten erstmals in-situ TEM-Analysen zur Aufklärung von atomaren Strukturänderungen durch Veränderung des Sauerstoffgehalts an neuen Seltenerdnickelaten durchgeführt werden. Als Ergebnis des Projekts wird eine Wissensbasis geschaffen, welche es zukünftig ermöglicht, die Wirkungsweise von gezielter Substitution auf Struktur- und Transporteigenschaften von Seltenerdnickelaten vorherzusagen und neue Materialien für zukünftige Anwendungen im Energiebereich zu entwickeln.

 

Gefördert bzw. finanziert im Programm " Energieforschung (e!MISSION)" vom Klima- und Energiefonds.

             

ASYSII (SOFC APU System Entwicklung II)

  • Synopsis

Für die Entwicklung von kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffzellen-APUs stellt deren begrenzte Lebensdauer gegenwärtig eine massive Hürde dar. Im Fokus dieses Projekts steht daher die Erforschung der grundlegenden Schädigungsprozesse während des Betriebs eines SOFC-Systems mit einem kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoff, sowie die Entwicklung neuer Technologien und Materialien, welche zukünftige Verbesserungen hinsichtlich Kosten und Dauerhaltbarkeit erwarten lassen.

  • Beteiligte Personen

    • Projektleitung: DI Jürgen Rechberger, Assoz.Prof. Dr. Edith Bucher (Teilprojektleitung MUL)
    • Projektmitarbeiter: Christian Berger, Edith Bucher, Andreas Egger, Peter Gsaxner, Martin Perz, Nina Schrödl, Werner Sitte

  • Kurzfassung

In fast allen Industrie-, Marine-, Luftfahrt- und Nutzfahrzeuganwendungen wird langfristig ein kohlenwasserstoffbasierter Kraftstoff zum Einsatz kommen, da eine hohe Energiespeicherdichte erforderlich ist. Im Gegensatz zu PKWs haben in diesen Anwendungen Batterien oder Wasserstoff als Energiespeicher (ohne massive Technologiesprünge) selbst langfristig gesehen keine Umsetzungschancen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Umwandlungsprozesse von konventionellen Kraftstoffen zu verbessern. Die SOFC-Technologie weist hierfür beachtliches Potential auf, da sie eine hohe Kraftstoffflexibilität besitzt. Im Fokus des Projekts stehen die systematische Erforschung von Schädigungsprozessen, sowie von Diagnoseansätzen zu deren Detektion, und die Validierung von kohlenwasserstoffbasierten SOFC-Systemen unter realen Einsatzbedingungen zur Erforschung von kritischen Umwelteinflüssen auf die Schädigungsprozesse. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Steigerung der Lebensdauer auf mehr als 5000h.

An der MUL werden im Rahmen des Projektes neue Technologien/Materialien untersucht, die zukünftige Verbesserungen hinsichtlich Kosten und Dauerhaltbarkeit erwarten lassen. Dazu gehören neue SOFC-Kathodenmaterialien und die weitere Erforschung von metallgetragenen SOFC-Zellen in Kooperation mit der Firma Plansee.

 

Gefördert bzw. finanziert im Programm " Mobilität der Zukunft" vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit).

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Hydrocell (Wasserstofferzeugung mit Feststoff-Oxid Elektrolyse Zellen)

Synopsis

Das Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung und Auslegung eines Hochtemperaturelektrolyse-Systems auf Basis von Festoxid-Zellen (Solid Oxide Electrolyser Cells, SOECs). Dabei wird sowohl die Schlüsselkomponente SOEC-Stack als auch die Umsetzung in eine komplette SOEC-Anlage untersucht.

Beteiligte Personen

  • Gesamtprojektleitung: Richard Schauperl (AVL List GmbH)

    • Leitung AP2: Werner Sitte
    • Projektmitarbeiter: Edith Bucher, Andreas Egger, Peter Gsaxner, Wolfgang Preis, Nina Schrödl, Werner Sitte

  • Kurzfasssung

Die heutigen Energiesysteme können nur sehr bedingt mit stochastisch auftretenden regenerativen Energiequellen (Wind, Sonne) umgehen, da die Stromproduktion nicht plan- bzw. vorhersagbar ist und die Speicherung allfälliger Überschussenergie bisher nur in sehr eingeschränktem Ausmaß möglich ist. Die Hochtemperaturelektrolyse bietet dabei einen sehr attraktiven Lösungsansatz für diese Problemstellung. Ausgehend von Wasser bzw. einem Wasser/CO2-Gemisch wird die regenerative Energie lokal direkt in Wasserstoff bzw. Synthesegas umgewandelt. H2 kann z.B. im Erdgasnetz gespeichert werden während Synthesegas die Möglichkeit der Weiterverarbeitung in beliebige Kraftstoffe bietet.

Im Projekt HydroCell wird ein neues Elektrolyseverfahren untersucht und in einem „Proof-of-Concept“-System realisiert. Kernkomponente ist ein Hochtemperatur-Elektrolysestack basierend auf Festoxid-Zellen (Solid Oxide Electrolyser Cells, SOECs). Die Hochtemperaturelektrolyse verspricht einen wesentlich höheren Wirkungsgrad von deutlich über 80% und niedrigere Kosten als konventionelle Verfahren.

  • Zeitraum: seit 2013