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T1 - Herstellung und Charakterisierung von mikrotubulären Festoxidbrennstoffzellen

AU - Buchinger, Gerhard Matthias

N1 - nicht gesperrt

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Diese Dissertation behandelt die Herstellung und Charakterisierung von mikrotubulären Festoxidbrennstoffzellen. Neben dem allgemeinen Vorteil der Hochtemperatur-brennstoffzellen einer hohen Flexibilität im Bezug auf potentiell mögliche Treibstoffe besitzt dieser Zelltyp darüber hinaus noch den Vorteil der Unempfindlichkeit gegenüber schnellen Temperaturänderungen, was besonders die Anwendung für den portablen oder halbmobilen Einsatz ermöglicht. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Entwicklung von sowohl elektrolyt- als auch anodenbasierenden mikrotubulären Festoxidbrennstoffzellen. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Erhöhung von Leistungsdichte und Langzeitstabilität gelegt. Zur Erreichung dieser Ziele wurden sowohl Untersuchungen/Verbesserungen im Bereich der Zelle selbst (Anode, Kathode, Elektrolyt) als auch im Bereich der elektrischen Kontaktierung durchgeführt. Durch die parallele Auswertung von elektrochemischen Messungen (z.B. Impedanzspektroskopie) als auch von mikroskopischen Untersuchungen (z.B. Rasterelektronenmikroskopie) gelang eine Charakterisierung der jeweils dominierenden Verlustanteile bzw. Degradationsprozesse: So konnten in der Folge die entsprechenden Bauteile und Materialien gezielt verbessert werden, wodurch deutliche Steigerungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Zellen erzielt wurden. Durch die parallele Entwicklung und Untersuchung unterschiedlicher Zellkonzepte elektrolyt- und anodenbasierend war der direkte Vergleich der Vor- und Nachteile und damit die Abschätzung des Potentials für den praktischen Einsatz der unterschiedlichen Typen gegeben. Die in dieser Arbeit entwickelten mikrotubulären anodenbasierten Festoxidbrennstoffzellen zeigten hierbei bei einer typischen Arbeitstemperatur von 850 °C mit ca. 1440 mW/cm eine mehr als dreifach höhere Leistungsdichte als die elektrolytbasierten Zellen bei 900 °C. Allerdings wiesen Letztere eine wesentlich höhere Redoxstabilität auf. Als zweites wesentliches Themenfeld wurde die Untersuchung von potentiellen Treibstoffen gewählt. Neben Kraftstoffen für den mobilen Bereich, wie z.B. Diesel- und Kerosin-Reformat, wurde besonders Holzgas sowohl aus Luft- als auch Wasserdampfvergasung als Brenngas für Hochtemperatur-Brennstoffzellen untersucht. Zum Beispiel zeigten die in dieser Arbeit für letzteren Treibstoff getätigten Untersuchungen, dass für den Betrieb von Festoxidbrennstoffzellen 1 ppm Schwefelwasserstoff und 5 ppm Chlorwasserstoff vertretbare Verunreinigungskonzentrationen über die getesteten Zeiträume darstellen.

AB - Diese Dissertation behandelt die Herstellung und Charakterisierung von mikrotubulären Festoxidbrennstoffzellen. Neben dem allgemeinen Vorteil der Hochtemperatur-brennstoffzellen einer hohen Flexibilität im Bezug auf potentiell mögliche Treibstoffe besitzt dieser Zelltyp darüber hinaus noch den Vorteil der Unempfindlichkeit gegenüber schnellen Temperaturänderungen, was besonders die Anwendung für den portablen oder halbmobilen Einsatz ermöglicht. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Entwicklung von sowohl elektrolyt- als auch anodenbasierenden mikrotubulären Festoxidbrennstoffzellen. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Erhöhung von Leistungsdichte und Langzeitstabilität gelegt. Zur Erreichung dieser Ziele wurden sowohl Untersuchungen/Verbesserungen im Bereich der Zelle selbst (Anode, Kathode, Elektrolyt) als auch im Bereich der elektrischen Kontaktierung durchgeführt. Durch die parallele Auswertung von elektrochemischen Messungen (z.B. Impedanzspektroskopie) als auch von mikroskopischen Untersuchungen (z.B. Rasterelektronenmikroskopie) gelang eine Charakterisierung der jeweils dominierenden Verlustanteile bzw. Degradationsprozesse: So konnten in der Folge die entsprechenden Bauteile und Materialien gezielt verbessert werden, wodurch deutliche Steigerungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Zellen erzielt wurden. Durch die parallele Entwicklung und Untersuchung unterschiedlicher Zellkonzepte elektrolyt- und anodenbasierend war der direkte Vergleich der Vor- und Nachteile und damit die Abschätzung des Potentials für den praktischen Einsatz der unterschiedlichen Typen gegeben. Die in dieser Arbeit entwickelten mikrotubulären anodenbasierten Festoxidbrennstoffzellen zeigten hierbei bei einer typischen Arbeitstemperatur von 850 °C mit ca. 1440 mW/cm eine mehr als dreifach höhere Leistungsdichte als die elektrolytbasierten Zellen bei 900 °C. Allerdings wiesen Letztere eine wesentlich höhere Redoxstabilität auf. Als zweites wesentliches Themenfeld wurde die Untersuchung von potentiellen Treibstoffen gewählt. Neben Kraftstoffen für den mobilen Bereich, wie z.B. Diesel- und Kerosin-Reformat, wurde besonders Holzgas sowohl aus Luft- als auch Wasserdampfvergasung als Brenngas für Hochtemperatur-Brennstoffzellen untersucht. Zum Beispiel zeigten die in dieser Arbeit für letzteren Treibstoff getätigten Untersuchungen, dass für den Betrieb von Festoxidbrennstoffzellen 1 ppm Schwefelwasserstoff und 5 ppm Chlorwasserstoff vertretbare Verunreinigungskonzentrationen über die getesteten Zeiträume darstellen.

KW - Brennstoffzellen

KW - Festoxidbrennstoffzellen

KW - SOFC

KW - Treibstoffuntersuchungen

KW - Elektroden

KW - Elektrochemie

KW - Impedanzspektroskopie

KW - Degradation

KW - Solid Oxide Fuel Cells

KW - SOFC

KW - Fuel Cell

KW - Electrodes

KW - Fuel Testing

KW - Impedance Spectroscopy

M3 - Dissertation

ER -