TY - THES

T1 - Elektrochemische Charakterisierung von elektrolytgestützten Hochtemperaturbrennstoffzellen hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität

AU - Hofmann, Timothy

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Kernthema der gegenständlichen Masterarbeit ist die elektrochemische Charakterisierung von elektrolytgestützten Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFCs) hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen auf einer verbesserten Herstellung der Zellen und der Entwicklung von neuen Methoden für die Zustandsdiagnose. Im Laufe der vorliegenden Arbeit wurde eine halbautomatische Siebdruckmaschine in Betrieb genommen. Ziel war es, sämtliche Schritte von der Fixierung der Zelle über die Siebjustierung bis hin zum Druck, sowie fundamentale Prozessparameter, wie z.B. den Rakeldruck, zu optimieren. Als wichtiges Ergebnis dieser Optimierung wurde festgestellt, dass das händische Fluten des Siebes prinzipiell für ein besseres Druckergebnis sorgt. Die Einstellung eines bestimmten Rakeldrucks ist vorteilhaft für die Reproduzierbarkeit der Schichtdicke, die Druckqualität wird allerdings hauptsächlich von den Eigenschaften der Paste bestimmt. Im Hinblick auf die in-operando Zustandsdiagnose von SOFCs wurde die Machbarkeit einer frühzeitigen Erkennung von nichtlinearen Artefakten in Form von Intermodulationsprodukten mittels Fast Fourier Transformation untersucht. Es wurde hierfür ein eigenes Programm mit der Entwicklungssoftware Matlab zur Auswertung von elektrochemischen Messungen an SOFC-Knopfzellen unter Verwendung des Prinzips der Intermodulationsanalyse (IMA) erstellt. Zunächst wurden Versuche unter Bedingungen der beschleunigten Alterung („Chrom-Vergiftung“ der Kathode) an einer symmetrischen Knopfzelle durchgeführt. Es wurde überprüft, inwieweit die Schädigungsdiagnose anhand von Nichtlinearitäten in der Systemantwort (Strom/Spannungs-Kennlinie) durch das Matlab-Skript möglich ist. Anhand dieser Versuche konnte die Differenzierung von Messbereichen in lineare und nichtlineare Abschnitte bestätigt werden. Die Daten des Experiments zur Chrom-Vergiftung zeigten, dass Intermodulationsprodukte am stärksten im niedrigen Frequenzbereich auftreten und somit als Indikator zur Erkennung von Störungen im Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden können. Zusätzlich wurde ein neuer Prüfstand für SOFC-Knopfzellen aufgebaut, um an elektrolytgestützten Vollzellen den Effekt der kathodenseitigen Siliziumvergiftung mittels Impedanzspektroskopie und Strom-Spannungs-Kennlinien zu untersuchen. Auch für diesen Degradationsmechanismus sollte das Potential der Intermodulationsanalyse beurteilt werden. Im Zuge der Untersuchungen zur Siliziumvergiftung konnte der zeitliche Verlauf der Schädigung anhand von Strom/Spannungs-Kennlinien, Impedanzspektren und Intermodulationsanalysen verfolgt werden. Die Detektion von Betriebsabweichungen ist somit für verschiedene Schädigungsarten durch die IMA prinzipiell machbar.

AB - Kernthema der gegenständlichen Masterarbeit ist die elektrochemische Charakterisierung von elektrolytgestützten Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFCs) hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen auf einer verbesserten Herstellung der Zellen und der Entwicklung von neuen Methoden für die Zustandsdiagnose. Im Laufe der vorliegenden Arbeit wurde eine halbautomatische Siebdruckmaschine in Betrieb genommen. Ziel war es, sämtliche Schritte von der Fixierung der Zelle über die Siebjustierung bis hin zum Druck, sowie fundamentale Prozessparameter, wie z.B. den Rakeldruck, zu optimieren. Als wichtiges Ergebnis dieser Optimierung wurde festgestellt, dass das händische Fluten des Siebes prinzipiell für ein besseres Druckergebnis sorgt. Die Einstellung eines bestimmten Rakeldrucks ist vorteilhaft für die Reproduzierbarkeit der Schichtdicke, die Druckqualität wird allerdings hauptsächlich von den Eigenschaften der Paste bestimmt. Im Hinblick auf die in-operando Zustandsdiagnose von SOFCs wurde die Machbarkeit einer frühzeitigen Erkennung von nichtlinearen Artefakten in Form von Intermodulationsprodukten mittels Fast Fourier Transformation untersucht. Es wurde hierfür ein eigenes Programm mit der Entwicklungssoftware Matlab zur Auswertung von elektrochemischen Messungen an SOFC-Knopfzellen unter Verwendung des Prinzips der Intermodulationsanalyse (IMA) erstellt. Zunächst wurden Versuche unter Bedingungen der beschleunigten Alterung („Chrom-Vergiftung“ der Kathode) an einer symmetrischen Knopfzelle durchgeführt. Es wurde überprüft, inwieweit die Schädigungsdiagnose anhand von Nichtlinearitäten in der Systemantwort (Strom/Spannungs-Kennlinie) durch das Matlab-Skript möglich ist. Anhand dieser Versuche konnte die Differenzierung von Messbereichen in lineare und nichtlineare Abschnitte bestätigt werden. Die Daten des Experiments zur Chrom-Vergiftung zeigten, dass Intermodulationsprodukte am stärksten im niedrigen Frequenzbereich auftreten und somit als Indikator zur Erkennung von Störungen im Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden können. Zusätzlich wurde ein neuer Prüfstand für SOFC-Knopfzellen aufgebaut, um an elektrolytgestützten Vollzellen den Effekt der kathodenseitigen Siliziumvergiftung mittels Impedanzspektroskopie und Strom-Spannungs-Kennlinien zu untersuchen. Auch für diesen Degradationsmechanismus sollte das Potential der Intermodulationsanalyse beurteilt werden. Im Zuge der Untersuchungen zur Siliziumvergiftung konnte der zeitliche Verlauf der Schädigung anhand von Strom/Spannungs-Kennlinien, Impedanzspektren und Intermodulationsanalysen verfolgt werden. Die Detektion von Betriebsabweichungen ist somit für verschiedene Schädigungsarten durch die IMA prinzipiell machbar.

KW - Energieeffizienz

KW - Sektorkopplung

KW - Wasserstoff

KW - Brennstoffzelle

KW - Festoxidbrennstoffzelle

KW - Siebdruck

KW - Betriebszustandsdiagnose

KW - Intermodulationsanalyse

KW - energy efficiency

KW - sector coupling

KW - hydrogen

KW - fuel cell

KW - solid oxide fuel cell

KW - screen printing

KW - operating state diagnosis

KW - intermodulation analysis

M3 - Masterarbeit

ER -