MaviS (Materialforschung und virtuelle Sensorkonzepte als Innovationsbeschleuniger für Hochtemperaturelektrolysezellen)
Synopsis
Im Projekt „MaviS“ arbeiten die Montanuniversität Leoben, die AVL List GmbH und die Materials Center Leoben Forschung GmbH gemeinsam an einem neuen Ansatz zur Verbesserung der Langzeitstabilität sowie zur Verkürzung der Entwicklungszeit und Senkung der Entwicklungskosten von Hochtemperaturelektrolysezellen (SOEC).
Zeitraum: 01.06.2026 - 31.05.2029
Beteiligte Personen
Projektleitung: Edith Bucher
Projektmitarbeiter*innen: Andreas Egger, Arijit Jana
Projektpartner
- AVL List GmbH
- Materials Center Leoben Forschung GmbH
Kurzfassung
Die Verbesserung der Langzeitstabilität von Hochtemperaturelektrolysezellen (engl. Solid Oxide Electrolysis Cells, SOECs), verknüpft mit der Senkung der Entwicklungszeit bzw. -kosten, ist eines der wichtigsten und gleichzeitig schwierigsten Erfordernisse zur Entwicklung von marktreifen Zellen, Stacks und Systemen. Ein besonders kritischer Alterungsmechanismus in SOECs ist die Veränderung der Morphologie der Kathode über die Zeit, insbesondere die Vergröberung der Nickel-Phase, was die elektrochemisch aktive Fläche verringert und den elektrischen Widerstand erhöht. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit und kann langfristig zum Zellversagen führen. Zur Untersuchung dieser Mechanismen wären detaillierte in-situ Einblicke in die laufenden Veränderungen der 3D-Morphologie und deren unmittelbare Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften notwendig. Aufgrund begrenzter messtechnischer Möglichkeiten und hoher Kosten sind solche Analysen jedoch schwer durchführbar. Elektrochemische Methoden wie Impedanzspektroskopie (EIS) und Stromdichte-Spannungskennlinien (i-U) können die Zellen nur begrenzt überwachen, bieten aber keine in-situ Einblicke in die genauen Degradationsmechanismen. Im Projekt werden Brennstoffelektroden mit systematischen Variationen gefertigt und auf kommerzielle Halbzellen aufgebracht. Elektrochemische Tests mittels komplementärer Methoden wie EIS, i-U-Kennlinien, Total Harmonic Distortion Analysis (THDA) und Intermodulation Distortion Analysis (IMA) ermitteln charakteristische Signaturen für bestimmte Schädigungsmechanismen. Post-mortem Analysen verknüpfen diese Signaturen mit Veränderungen der Morphologie-Parameter. Ein KI-gestützter Bildcharakterisierungs-Workflow ermöglicht die Reduktion des experimentellen Aufwands und somit eine zeit- und kosteneffizientere post-mortem Analyse. Virtuelle 3D-Rekonstruktionen der Morphologie und datengetriebene Modellierung verbessern das Verständnis der Degradationsmechanismen. Generative KI wird zur Modellierung der Morphologie-Veränderungen eingesetzt. Die Kopplung von datengetriebener und physikalischer Modellierung liefert ein besseres Verständnis der Zelldegradation. Weiters verbessert dieser hybride Ansatz die Aussagekraft bezüglich Einfluss der Morphologie-Veränderungen auf die Lebensdauer der Zellen. Die entwickelte Methodik kann in einem zukünftigen virtuellen Sensorkonzept eingesetzt werden. Darunter ist ein über das Projekt hinaus entwickeltes online Diagnosetool zu verstehen, welches durch in-situ Überwachung verschiedener Sensorsignale der Zellen, Stacks oder Systeme auf Art und Stadium der Degradationsmechanismen schließen kann.
Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen der Ausschreibung Energieforschung 2024 FTI -Fokusinitiativen durchgeführt.
AddEus (Additive Fertigung als Game Changer für zukunftsweisende elektrochemische Energieumwandlung und -speicherung)
Synopsis
Im Projekt "AddEus" arbeiten der Lehrstuhl für Physikalische Chemie und der Lehrstuhl für Struktur- und Funktionskeramik der Montanuniversität Leoben gemeinsam mit der Lithoz GmbH an neuen Methoden für die Fertigung und Charakterisierung von Hochtemperaturbrennstoffzellen und –elektrolysezellen. Kernpunkt des Projekts ist die Entwicklung innovativer Herstellungsmethoden und neuartiger Materialien für einen Paradigmenwechsel im Zelldesign, welche zur Steigerung der Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Lebensdauer, der Senkung der Herstellungskosten, sowie zur Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen beitragen.
Zeitraum: 01.01.2025 - 31.12.2027
Beteiligte Personen
Projektleitung: Edith Bucher
Projektmitarbeiter*innen: Andreas Egger, Sayan Chattopadhyay
Projektpartner
- Lehrstuhl für Struktur- und Funktionskeramik, Montanuniversität Leoben
- Lithoz GmbH
Kurzfassung
Hochtemperaturbrennstoffzellen und -elektrolysezellen werden nach dem State-of-the-Art aus zwei porösen Elektroden, einem gasdichten Elektrolyten und einer Diffusionsbarriere hergestellt. Die Methoden für die Herstellung der Schichten (Dicken im Bereich 10-500 µm) bzw. der Zellen sind nach dem State-of-the-Art Siebdruck, Foliengießen und konventionelles Sintern. Aus dieser konventionellen Zellfertigung resultiert aktuell einer Reihe kritischer Faktoren, welche die Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität der Zellen begrenzen, und damit die breite Marktdurchdringung, verhindern.
Durch die Erforschung neuartiger Fertigungstechnologien − wie Tape Casting von Multi-Materialien, Lithografie-basierter 3D-Druck, neue Sintertechnologien und neuartige Elektrodenmaterialien ohne kritische Rohstoffe − im geplanten Projekt, können diese kritischen Faktoren behoben werden. Ziel ist die Umsetzung eines Paradigmenwechsels im Zelldesign und der Zellfertigung. Dieses ambitionierte Ziel wird durch die Zusammenarbeit der drei Projektpartner, welche ausgewiesene Experten mit langjähriger Erfahrung auf ihrem jeweiligen projektrelevanten Forschungsgebiet sind, adressiert.
Das Projekt trägt insbesondere zum Ausschreibungsschwerpunkt 1 – Energieeffizienz in der Energieumwandlung bei. Dabei wird infolge der Entwicklung zukunftsweisender Energietechnologien ein signifikanter Beitrag zum Umwelt- bzw. Klimaschutz und zur Reduktion von CO2-Emissionen geleistet. Die Wettbewerbsfähigkeit und Kompetenzführerschaft aller Partner werden durch diese innovationsgetriebenen Projektziele klar gestärkt. Dies hat positive Auswirkungen auf den Wirtschaftsstandort Österreich und die Erreichung der Klimaneutralität Österreichs bis spätestens 2040.
Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen der Ausschreibung Energieforschung 2023 durchgeführt.
Design-SOEC (Wissensbasiertes Design von Hochtemperaturelektrolysezellen für optimierte Wasserstoffherstellung)
Synopsis
Im Projekt „Design-SOEC“ arbeiten die Montanuniversität Leoben, die Materials Center Leoben Forschung GmbH und die AVL List GmbH an der Entwicklung eines wissensbasierten Designansatzes für SOECs mit optimierten Kernkomponenten und verbesserter Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Lebensdauer.
Zeitraum: 01.04.2023 - 30.09.2026
Beteiligte Personen
Projektleitung: Edith Bucher
Projektmitarbeiter*innen: Mehmet Aksoy, Andreas Egger, Sarah Eisbacher-Lubensky
Projektpartner
- Materials Center Leoben Forschung GmbH
- AVL List GmbH
Kurzfassung
Die Speicherung von großen Mengen an Überschussenergie ist durch den steigenden Anteil von Strom aus regenerativen, teils stark fluktuierenden Energiequellen ein Schlüsselfaktor in der Energiewende. Mit den Energiesystemen nach dem derzeitigen Stand der Technik lässt sich elektrische Energie allerdings nur in einem eingeschränkten Ausmaß speichern. Daher sind neue innovative Speichertechnologien, wie Elektrolyse und/oder Power-to-Gas notwendig. Hochtemperaturelektrolysezellen (SOECs) stellen eine der effizientesten und nachhaltigsten Technologien zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff bzw. Synthesegas dar. Im Gegensatz zu anderen Elektrolysetechnologien wie z.B. die alkalische Elektrolyse ist für SOEC-Systeme die breite Markteinführung jedoch noch nicht erfolgt.
Der Designansatz für SOEC-Zellen nach dem Stand der Technik basiert stark auf experimentellen Untersuchungen. Die Ergebnisse werden üblicherweise als Basis für Material- und Mikrostrukturvariationen zur schrittweisen Verbesserung der Zellen herangezogen. Obwohl neben der elektrochemischen Charakterisierung auch Arbeiten zur mikrostrukturellen Charakterisierung der Zellen, ebenso wie Modellierungen/Simulationen, durchgeführt werden, stehen die jeweiligen Ergebnisse oft in einem isolierten Kontext, so dass neues Wissen zwar generiert - aber nicht genutzt wird.
Die Motivation für das Projekt "Design-SOEC" ist die Notwendigkeit eines neuen Entwicklungsansatzes für SOECs, welcher Kompetenzen im Bereich der Elektroden-/Zellpräparation und der elektrochemischen Charakterisierung mit detaillierten mikrostrukturellen Analysen und umfassenden Simulationen bündelt.
Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines wissensbasierten Designansatzes für SOECs mit optimierten Kernkomponenten und verbesserter Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Lebensdauer. Der Designansatz soll insbesondere auch die Skalierbarkeit der Ergebnisse von Untersuchungen an Knopfzelle auf Zellen im industrierelevanten Maßstab ermöglichen.
Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen der 8. Ausschreibung Energieforschung durchgeführt.