Konzeption und Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit vermehrtem Keramikanteil


Masterarbeit, 2013
84 Seiten, Note: 1,3

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Aufgabenstellung

Inhaltsverzeichnis

Ehrenwörtliche Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Ausgangssituation
1.2. Projektidee und thematische Eingrenzung
1.3. Motivation und Zielsetzung
1.4. Aufbau der Arbeit

2. Grundlagen und Stand der Forschung

2.1. Geschichte der Brennstoffzelle
2.2. Aufbau und Komponenten
2.3. Funktionsprinzip und chemische Reaktionen
2.4. Brennstoffzellentypen und elektrische Wirkungsgrade
2.4.1. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)
2.4.2. Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

3. Entwicklung und Umsetzung eines parallelen SOFC-Stacks
3.1. Besonderheiten beim Betrieb einer SOFC
3.1.1. Prinzipielle Funktionsweise
3.1.2. Hauptkomponenten
3.1.2.1. Elektrolyt
3.1.2.2. Anode
3.1.2.3. Kathode
3.1.2.4. Interkonnektor
3.1.3. Schutz- und Isolationsschichten
3.1.4. Sonstige Komponenten
3.2. Fertigungsgerechte Gestaltung einer Doppelzellen-Einheit
3.2.1. Auswirkungen auf die Konstruktion
3.2.2. Prozessspezifischer Werkstoffeinsatz
3.2.2.1. Materialauswahl für Hauptkomponenten
3.2.2.2. Materialauswahl zum Verspannen und Abdichten des Stacks

4. Konstruktion eines SOFC-Stacks mit paralleler Systemarchitektur
4.1. Löttechnik
4.2. Fertigungsgerechte Konstruktion und Montierbarkeit
4.3. Diskussion verschiedener Interkonnektorstrukturen
4.4. Auswahl und Detaillierung der Vorzugslösungen
4.4.1. Konstruktive Umsetzung mit „Autodesk Inventor“
4.4.2. Strömungsverteilung und Flowfield-Design
4.4.2.1. CFD-Simulationen
4.4.2.2. Anpassung an optimierte Fluiddynamik

5. Zusammenfassung und Ausblick
5.1. Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse
5.2. Schlussfolgerungen und Ausblicke

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Symbolverzeichnis

Anhang

Aufgabenstellung

Als eine vielversprechende Technologie zur Stromerzeugung wird die Entwicklung von Brennstoffzellen vorangetrieben. Der höhere Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Techniken basiert auf der direkten Umwandlung des Brennstoffes in elektrische Energie. Kernstück einer SOFC (Solid Oxide Fuel Cell, dt.: Festoxid-Brennstoffzelle) ist eine kerami- sche MEA (Membrane Electrode Assembly, dt.: Elektrode-Membran-Einheit), auf der die Funktionsschichten (Kathode und Anode) aufgebracht sind. Diese wird mit einem kerami- schen Rahmen durch geeignete Lötverfahren gefügt und in die übrigen Komponenten des SOFC-Stacks eingebunden. Der aufgebaute Stack wird nachfolgend in einem vorhandenen Teststand insbesondere im Hinblick auf die Vorzüge des parallelen Aufbaus charakterisiert.

Basierend auf bereits durchgeführten Vorarbeiten zu dem Projekt soll ein Gesamtkonzept zum Aufbau eines Stacks mit paralleler Systemarchitektur weiterentwickelt und detailliert werden. Dabei ist die fertigungsgerechte Gestaltung aller Bauteile - insbesondere der kera- mischen Komponenten - in Bezug auf die hohe Betriebstemperatur (850 °C) einer SOFC zu berücksichtigen. Die Detaillierung ist dahingehend zu optimieren, dass möglichst wenige Bauteile mit einem hohen Wiederholungsgrad eingesetzt werden. Dabei muss für den Kera- mik-Keramik-Verbund aus MEA und Rahmen eine lötgerechte Gestaltung beachtet und aus Kostengründen eine möglichst geringe Komplexität vorgesehen werden. Die Gestaltung des Flowfields, der Gasführungs- und Kontaktierungsbleche geschieht in enger Absprache mit Projektpartnern, die diese Bauteile durch CFD (Computational Fluid Dynamics, dt.: Numeri- sche Strömungsmechanik)-Simulationen hinsichtlich der Fluiddynamik optimieren.

Neben den Werkstoffen der Hauptkomponenten ist eine zusätzliche Materialauswahl zum Verspannen und Abdichten des Stacks zu treffen. Dabei sind die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingten Spannungen und Formänderungen zu berück- sichtigen. Zur Anbindung des Stacks an einen vorhandenen Teststand sind alle Gasversor- gungsrohre sowie Leitungen für die Stromabnahme und Messtechnik an diesen anzupassen.

Ausgehend von einer umfangreichen Patent- und Literaturrecherche sollen die Besonderhei- ten beim Betrieb einer SOFC auf die Konstruktion und die eingesetzten Werkstoffe übertra- gen werden. Auf Basis dieser Informationen sollen verschiedene Lösungskonzepte erarbeitet und anschließend Vorzugslösungen ausgewählt werden. Diese soll anschließend in dem 3D- CAD (dreidimensionales „Computer-Aided Design“, dt.: Rechnerunterstütztes Konstruieren)- System „Autodesk Inventor“ konstruktiv umgesetzt werden. Eine vollständige Dokumentation und Ausarbeitung der Ergebnisse sind integrative Bestandteile der durchzuführenden Mas- terarbeit.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Definition der Komponenten eines Brennstoffzellen-Stacks

Abbildung 2: Funktionsschema der Groveschen Brennstoffzellen-Batterie (1842)

Abbildung 3: Wärmekraftmaschine vs. Brennstoffzelle, Umwandlungsstufen

Abbildung 4: Übereinanderschichten von Brennstoffzellen zu einem Stack

Abbildung 5: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Abbildung 6: Idealtypischer Kennlinienverlauf einer Brennstoffzelle

Abbildung 7: Prozessspezifische Klassifizierung von Brennstoffzellen

Abbildung 8: Chemische Prozesse in der SOFC

Abbildung 9: Funktionsprinzip einer SOFC

Abbildung 10: Temperaturbedingte Ionenleitfähigkeit verschiedener Elektrolytwerkstoffe .

Abbildung 11: Idealisierte Perowskit-Struktur der Form ABO3

Abbildung 12: Elektrolytgestützte Brennstoffzelle, Typ: ESC2

Abbildung 13: Konfiguration A der ESC2, Draufsicht und Seitenansicht

Abbildung 14: Idealtypischer Verlauf der elektrochemischen Leistung einer ESC2

Abbildung 15: Eckprofil der ESC2, Fotoaufnahme

Abbildung 16: Messung der Gleichmäßigkeit einer MEA, Messpositionen

Abbildung 17: SOFC-Wiederholeinheit mit paralleler Architektur, Explosionsdarstellung ...

Abbildung 18: SOFC-Komponenten (nicht maßstabsgetreu)

Abbildung 19: Einteilung der Lötverfahren nach der Liquidustemperatur (DIN 8505-2)

Abbildung 20: Lötverfahren nach DIN 8593-7, Weich- und Hartlöten

Abbildung 21: Schematische Darstellung alternativer Interkonnektorstrukturformen

Abbildung 22: Housing-Komponente mit Montagebohrungen, 3D-Darstellung

Abbildung 23: Housing-Komponente mit Montagebohrungen, Skizze

Abbildung 24: Wellenförmiger Interkonnektor (anodenseitig), Frontprofil

Abbildung 25: Wellenförmiger Interkonnektor mit Lasche (anodenseitig)

Abbildung 26: Baugruppe „Doppelzelle“ (Wellenprofil)

Abbildung 27: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 1“ (anodenseitig), Frontprofil

Abbildung 28: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 1“, Geschwindigkeitsverteilung

Abbildung 29: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 2.1“, schematische Darstellung

Abbildung 30: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 2.2“, schematische Darstellung

Abbildung 31: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 2.1“ (anodenseitig), Draufsicht

Abbildung 32: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 2.1“ (anodenseitig), 3D-Darstellung...

Abbildung 33: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 2.1“ (anodenseitig), Frontprofil

Abbildung 34: Rillenförmiger Interkonnektor (anodenseitig), Frontprofil

Abbildung 35: Rillenförmiger Interkonnektor (anodenseitig), 3D-Darstellung

Abbildung 36: Baugruppe „Doppelzelle“ (Rillenprofil), Simulationsvorbereitung

Abbildung 37: Noppenförmiger Interkonnektor, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 1

Abbildung 38: Noppenförmiger Interkonnektor, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 2

Abbildung 39: Noppenförmiger Interkonnektor, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 3

Abbildung 40: Noppenförmiger Interkonnektor, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 4

Abbildung 41: Noppenförmiger Interkonnektor „Typ 2.1“ (anodenseitig), Updates 1-4

Abbildung 42: Noppenförmiger Interkonnektor 2.1.3, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 1 ..

Abbildung 43: Noppenförmiger Interkonnektor 2.1.3, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 2 ..

Abbildung 44: Noppenförmiger Interkonnektor 2.1.3, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 3 ..

Abbildung 45: Rillenförmiger Interkonnektor, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 1

Abbildung 46: Rillenförmiger Interkonnektor, Geschwindigkeitsverteilung, Bild 2

Abbildung 47: Rillenförmiger Interkonnektor (anodenseitig), Update 1, Frontprofil

Abbildung 48: Rillenförmiger Interkonnektor ohne Gasvorlaufstrecke (anodenseitig)

Abbildung 49: Rillenförmiger Interkonnektor, Update 1, Geschwindigkeitsverteilung

Abbildung 50: Rillenförmiger Interkonnektor (anodenseitig), Update 2, Frontprofil

Abbildung 51: Rillenförmiger Interkonnektor (anodenseitig), Update 2

Abbildung 52: Noppenförmiger Interkonnektor mit Bohrungen (anodenseitig), Draufsicht .

Abbildung 53: SOFC-Wiederholeinheit aus CFY, Explosionsdarstellung

Abbildung 54: SOFC-Wiederholeinheit aus CFY, Draufsicht

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Brennstoffzellentypen mit elektrischen Wirkungsgraden

Tabelle 2: Komponentenwerkstoffe der ESC2

Tabelle 3: MEA-Dicken bei den Postionen 1-5, Angaben in mm

Tabelle 4: Hauptkomponentenwerkstoffe

Tabelle 5: SOFC-Komponentenwerkstoffe

Tabelle 6: Komponentenwerkstoffe zum Verspannen und Abdichten

1. Einleitung

Angesichts ihrer hohen technischen Effizienz gegenüber der direkten und gleichzeitig emis- sionsfreien Erzeugung von Strom und Wärme sowie aufgrund ihrer Flexibilität und Vielseitig- keit in Bezug auf den Brennstoffeinsatz gilt die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) als breiter Hoffnungsträger für eine ressourcenschonende Energieversorgung der Zukunft. Zum Einsatz kommen soll die SOFC sowohl stationär (beispielweise im Industriegewerbe oder in der Wohnungswirtschaft) als auch mobil in Großfahrzeugen sowie als Stromaggregat für zahlrei- che elektrotechnische Anwendungen. Die Technologie der SOFC-Brennstoffzelle ist keines- wegs unbekannt, sondern schon seit längerer Zeit ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt in der Energie- und Umwelttechnik. Durch intensive Grundlagenforschung konnten in der Vergangenheit bereits Werkstoffe entwickelt werden, die den hohen Betriebstemperaturen zwischen 650 und 1.000 °C auf Dauer standhalten können, [Ett08]. Um die Festoxid- Brennstoffzelle erfolgreich in die Großserienfertigung zu überführen, sind neben wirtschaftli- chen Preisen in erster Linie eine robuste Zellgestaltung, aber auch ein zuverlässiger Betrieb bei verhältnismäßig langer Lebensdauer unmittelbare Vorrausetzung für eine rasche Markteinführung, womit sich die SOFC gegenwärtig noch an der Schwelle zum globalen Markteintritt befindet.

Die Stack-Degradation steht mitunter im direkten Zusammenhang mit der konventionellen Standard-Serienverschaltung der Einzelzellen, bei der herkömmlich Glaslotdichtungen zur elektrischen Isolation des Stack-Aufbaus Verwendung fanden. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Glaslote bei den hohen, thermozyklischen Einsatztemperaturen unter der sich stetig wechselnden Gasatmosphäre über die Betriebsdauer hinweg schlichtweg versagen. Ein wei- terer Nachteil der Serienschaltung ist die Notwendigkeit der Überwachung aller Einzel- zellspannungen, da der optimale Betriebspunkt des SOFC-Stacks durch die maximale Leis- tungsfähigkeit derjenigen Zelle definiert wird, die die geringste Lebensdauer aufweist. Auf- grund der Aufwendigkeit ist dies jedoch in Praxisanwendungen nicht zu empfehlen bezie- hungsweise nicht effizient umsetzbar, sodass der Stack-Betriebspunkt in der Regel über die Gesamtspannung festgelegt wird. Dabei bleibt jedoch der Zustand der Einzelzellen im Be- trieb dem Anwender verborgen, womit die Gefahr einhergeht, dass die schwächsten Zellen unterhalb ihrer Grenzspannung gefahren werden und hierdurch - inhärent mit der Serien- schaltung verbunden - fortlaufend weiter degradieren.

Die dem Projekt zugrunde liegende Idee zur parallelen Verschaltung der Einzelzellen sieht vor, dass durch Spannungsmessung einer einzigen Zelle der Gesamtbetriebszustand des Stacks schnell und einfach und damit kostengünstig definiert und überwacht werden kann.

Damit ist eine Einzelzellüberwachung nicht mehr erforderlich. Außerdem lassen sich hier- durch degradationsverstärkende Betriebszustände rechtzeitig feststellen und geeignete Ge- genmaßnahmen einleiten wie zum Beispiel ein Absenken des anliegenden Laststroms oder Vergleichbares. Einen zusätzlichen Vorteil bietet die parallele Stack-Konzeption hinsichtlich der Abdichtung der Zellebenen. Während diese beim seriellen Aufbau durch elektrisch isolie- rende Dichtwerkstoffe (Glaslot) abgedichtet werden müssen, kann bei der parallelen Struktur auf konventionelle Löt- und Schweißprozesse, das heißt auf eine metallische Dichtungstech- nik zurückgegriffen werden. Ebenso bietet die Parallelverschaltung einen wesentlichen Vor- teil in puncto Ausfallsicherheit, da hier das Versagen einer Einzelzelle nicht zum Gesamtaus- fall des Stacks führt, sondern lediglich die effektive beziehungsweise abnehmbare Leistung reduziert.

1.1. Ausgangssituation

Die Entwicklung effizienter, schadstoffarmer und darüber hinaus kostengünstiger Energie- wandler ist eine zentrale Aufgabe der gegenwärtigen Energietechnik. Brennstoffzellen sind in der Lage, die chemische Energie, welche im Brennstoff gespeichert ist, unmittelbar, das heißt ohne Zuhilfenahme der Verbrennungswärme, in Elektrizität umzuwandeln, und stellen damit hocheffiziente Stromerzeuger für unterschiedlichste technologische Anwendungen innerhalb verschiedener Marktsegmente dar. Besonders die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuell Cell, dt.: Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle)- und die SOFC- Brennstoffzelle birgen aufgrund ihrer relativ hohen Netto-Wirkungsgrade von bis zu 60 %, [Fög10], und dem hohen Einsatzspektrum an Brennstoffen (begründet durch die vergleichs- mäßig unkomplizierte Reformierung nahezu aller gängigen Kohlenwasserstoffe) das größte Erfolgspotenzial in sich. Der Einsatz regenerativer Rohstoffe zur Energieerzeugung macht es zudem möglich, dass durch die Verwendung von beispielsweise Biogas als Energieträger nahezu CO2-neutral Strom erzeugt und darüber hinaus der elektrische Wirkungsgrad der SOFC-Brennstoffzellen deutlich gesteigert werden kann. Außerdem erfordern SOFC- Brennstoffzellensysteme keine Anodenkatalysatoren aus nur begrenzt vorkommendem und damit teurem Edelmetall, sondern arbeiten mit deutlich kostengünstigerem Nickel als Kataly- satormaterial. Des Weiteren sind alle grundlegenden Hauptkomponentenwerkstoffe der SOFC gründlich erforscht und auf dem Markt kommerziell erhältlich, was die F&E (For- schung und Entwicklung) an und von verbesserten SOFC-Technologien im Vergleich zu an- deren Brennstoffzellentypen maßgebend erleichtert.

Die wesentliche Baueinheit einer Festoxid-Brennstoffzelle ist der Stack, der sich aus mehre- ren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen zusammensetzt. In den Einzelzellen wird bei Inbetriebnahme des Stromerzeugers der Brennstoff elektrochemisch unter einer Betriebstemperatur von 700-950 °C in elektrische Energie und Wärme konvertiert, [Wäc08].

Um die elektrische Leistung auf ein nutzbares Niveau anzuheben, werden in der Regel zwischen zehn und 60 Einzelzellen zu einem Stack zusammengeschaltet, da jede Einzelzelle bei Last lediglich eine Einzelspannung von - je nach Ausführung - 0,65 bis maximal 0,85 V erzeugt, [Web02]. Dabei handelt es sich nach aktuellem Technologiestand ausnahmslos um serielle Verschaltungen. Prinzipiell umsetzbar sind jedoch sämtliche Kombinationen aus paralleler und serieller Schaltung zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Stacks.

Für eine zügige und globale Markteinführung von Brennstoffzellen-Systemen ist es zwingend notwendig, neben einer Kostensenkung der Technologie, die im Zuge der Markteinführung über das Fertigen in großen Stückzahlen realisiert werden soll, zum einen die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle zu priorisieren und zum anderen ihre Lebensdauer deutlich zu verbessern. Insbesondere hinsichtlich der Lebensdauer und Zuverlässigkeit sind bislang noch gravierende technologische Probleme zu bewältigen.

Die Lebensdauer von SOFC-Brennstoffzellen wird durch systeminterne, aber auch durch externe Faktoren bestimmt. Letztere Faktoren können beispielhaft das ungewollte Einbringen von Fremdatomen in die Elektroden sein wie eine Schwefelvergiftung der Anode oder eine Chromvergiftung der Kathode, aber auch korrosive Erscheinungen sowie herkömmliche Le- ckagen, [Men08]. Interne Ursachen sind zum Beispiel Änderungen in der Kristallstruktur oder in der chemischen Zusammensetzung der einzelnen Schichten, das Zusammensintern oder Abdampfen von katalytisch aktiven Elementen oder aber auch Wechselwirkungen zwischen Schichten und/oder Komponenten, die die Lebensdauer der Brennstoffzelle negativ beein- flussen, [Men08]. Zwar konnten in den letzten Jahren eine Vielzahl technischer Fragestellun- gen, was die Materialauswahl, die Fügetechnik, den Einsatz von Sinterverfahren oder das Oxidations- und Kriechverhalten betrifft, geklärt werden, dennoch bringen die immer höheren Ansprüche in Bezug auf den Betrieb und die Betriebsbedingungen stetig neue Problemstel- lungen mit sich.

Große technologische Herausforderungen betreffen insbesondere die Kompatibilität und Langzeitstabilität der zurzeit eingesetzten Werkstoffe und Bauteile, wobei das Herstellen einer dauerhaft gasdichten Verbindung zwischen den einzelnen Zellebenen derzeit die Hauptproblematik darstellt, [Wie06]. Stack-Konzepte mit planarem Aufbau erfordern hoch- temperaturresistente und gleichzeitig gasundurchlässige Dichtungen, um ein langfristiges Abdichten der einzelnen Gasräume untereinander, aber auch gegen die Umgebung gewähr- leisten zu können. Damit es bei einer seriell verschalteten Brennstoffzelle zu keinem Kurz- schluss zwischen den aneinandergrenzenden Zellebenen kommt, müssen die Dichtungs- werkstoffe darüber hinaus elektrisch isolierend wirken. Deshalb wurden bislang überwiegend Glaslote oder Dichtungen aus glaskeramischen Werkstoffen zur Verdichtung eingesetzt. Al- lerdings entsprechen die auf Glaslot basierenden Dichtungen in der Regel nicht den Lebens- daueranforderungen an den Gesamt-Stack, da diese Dichtungswerkstoffe den extremen Betriebsbedingungen (Temperaturspitzen, Thermozyklen, Gasatmosphäre etc.) nicht hinreichend lange aussetzbar sind.

Neben der verhältnismäßig ungenügenden Langzeitstabilität beruhend auf dem Einsatz von Glaslot-Dichtungswerkstoffen liefert die serielle Verschaltungstechnik einen weiteren wesent- lichen Nachteil, der schon einleitend in Kapitel 1 benannt wurde und hier kurz aufgegriffen werden soll. Da bei einem seriellen Stack-Aufbau alle Zellen durch denselben Stromfluss betrieben werden, können bereits minimale Widerstandsänderungen oder Schwankungen bei den Betriebsbedingungen unterschiedliche Zellspannungen hervorrufen. So kann es passieren, dass sich der Wirkungsgrad zum Beispiel aufgrund von Fertigungstoleranzen der Elektroden- beziehungsweise Elektrolytschichten und/oder durch Unterschiede der Betriebs- temperatur oder Brenngaszusammensetzung bedeutend verschlechtert oder es sogar zu irreversiblen Schädigungen der Anodenstruktur kommt, was letztlich zu einer gesteigerten Zelldegradation führen kann, [Koc06].

Wie sich im Rahmen des EU-Projekts CORE-SOFC (Component Reliability in Solid Oxide Fuel Cell Systems for Commercial Operation, Projekt der Europäischen Union) zeigte, nimmt die Degradationsrate unterhalb einer Grenzspannung von 0,7 bis 0,75 V deutlich zu, was mit der Reoxidation des Nickels als Katalysatorschicht auf der Anode in direktem Zusammen- hang steht, [Koc06, Neh07]. Die besondere Gefahr besteht darin, dass die Beschädigung einer Einzelzelle oft unbemerkt bleibt, da der Spannungsabfall durch die unbeschädigten und weiter aktivbleibenden Zellen kompensiert werden kann, indem diese bei einer geringeren Brenngasausnutzung nach wie vor in Betrieb bleiben. Somit kommt es fortlaufend zu einer Unterversorgung der defekten Zelle, was eine weitere und zusätzliche Oxidation begünstigt. Die einzige Möglichkeit zur Abhilfe wäre hier dadurch gegeben, den Stack bei einer Span- nung zu betreiben, bei der sich die Einzelspannung der schwächsten Zelle noch ausreichend weit unterhalb des Ni-Oxidationsniveaus befindet. Dadurch würde jedoch die Größe des Stacks überdimensioniert werden, was zwar eine selbstverstärkende Degradation der Zellen verhindern, jedoch hohe Anlage- und Betriebskosten implizieren würde.

Da bei den heutzutage gängigen Brennstoffzellen-Stacks das Austauschen einer defekten beziehungsweise zerstörten Einzelzelle nicht ohne unverhältnismäßig hohen Aufwand möglich ist, führt der Ausfall einer Einzelzelle in der Regel zum Unbrauchbarwerden des GesamtStacks. Dies stellt insofern einen zusätzlichen negativen Aspekt der seriellen Bauweise dar, als der Ausfall einer Einzelzelle zwangsläufig immer einen Totalausfall des BrennstoffzellenStacks nach sich zieht und somit dem Stack dauerhaft keine Leistung mehr entnommen werden kann und diesen damit unbrauchbar macht.

Besonders die Lebensdauern von zurzeit existierenden SOFC-Konzepten entsprechen noch nicht den herrschenden Anforderungen an die SOFC-Technologie, um sich als ein marktfähiges Produkt erfolgreich durchsetzen können, und erfordern noch erhebliche F&EAnstrengungen in Bezug auf die Werkstoffauswahl sowie die eingesetzten Fertigungs- und Fügeverfahren wie auch in Bezug auf innovative Stack-Konzepte.

1.2. Projektidee und thematische Eingrenzung

Der dem Projekt und dieser Arbeit zugrunde liegende Ansatz sieht eine parallele Verschaltung von Einzelzellen zu einem Stack vor. Das Ziel ist es, hierdurch insbesondere die Degradation beinflussende Effekte zu beseitigen oder zumindest gezielt einzudämmen. Übersichtshalber lassen sich an dieser Stelle die folgenden spezifischen Vorteile einer elektrischen Parallelarchitektur zusammenfassen, [Sta10]:

- Sicherstellung langzeitstabiler Gasdichtheit der Konstruktion
- Herabsetzen der Degradationsrate des Brennstoffzellen-Stacks
- kontinuierliche und weniger aufwendige Betriebs-/Spannungsüberwachung  deutliche Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Stacks

Um in den weiteren Ausführungen alle Grundelemente der Brennstoffzelle eindeutig vonei- nander abgrenzen zu können, erscheint zunächst eine Definition der wesentlichen Kompo- nenten, die beim Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks von Relevanz sind, für sinnvoll.

Abbildung 1: Definition der Komponenten eines Brennstoffzellen-Stacks

Wie in Abbildung 1 ersichtlich ist, bildet das Grundelement eines Brennstoffzellen-Stacks die Doppelzelle, die sich aus zwei parallel geschalteten Einzelzellen zusammensetzt. Die in die- sem Projekt verwendeten Einzelzellen weisen dabei eine Aktivfläche von jeweils 16 cm² auf (siehe Abschnitt 3.2), [HCS12a]. Die Doppelzellen wiederum werden dann zu einem Parallelmodul bestehend aus mehreren Doppelzellen zusammengeschaltet. Abhängig vom Leistungsbedarf lassen sich die Module nun variabel entweder parallel oder seriell verschalten, sodass letztendlich ein Stack mit elektrisch hybrider Architektur entsteht.

Um die jeweiligen Gasräume gasdicht voneinander zu isolieren, muss eine Verbindung zwi- schen dem keramischen Elektrolyten sowie einem (metallischen oder) ebenfalls aus Keramik hergestellten Rahmen geschaffen werden. In diesem Projekt soll hierbei gänzlich auf die Verwendung von Glaslot-Dichtwerkstoffen verzichtet werden. Dafür kommen zur Herstellung von Keramik-Keramik- beziehungsweise Keramik-Metall-Verbunden Lötverbindungen nach dem Reactive-Air-Brazing (RAB)-Verfahren (dt.: Reaktives Löten an Luft) zum Einsatz. Im Weiteren dient gepulstes Laserschweißen dazu, eine Abdichtung gegenüber der Umgebung sowie eine Verbindung zwischen Metall-Metall-Konstellationen zu erzeugen. Durch die be- nannten Fügeverfahren ergeben sich darüber hinaus Kostenvorteile hinsichtlich einer späte- ren Serienfertigung von Brennstoffzellen-Stacks insbesondere auch in Bezug auf die Monta- ge der Stacks. Außerdem ist es bei einem parallelen Aufbau im Gegensatz zur seriellen Ar- chitektur möglich, beschädigte Module mit geringem Arbeits- beziehungsweise Kostenauf- wand durch neue, intakte Module auszutauschen. Damit erlaubt die Parallelschaltung eine kontrollierbare und zudem reparable Brennstoffzelle, ohne dass eine Schädigung von Ein- zelzellen oder Modulen das Gesamtsystem unbrauchbar werden lässt.

1.3. Motivation und Zielsetzung

Ziel des Forschungsprojekts ist es, ein SOFC-Stack-Design zu entwickeln und zu charakterisieren, das sich aus parallel verschalteten Basiseinheiten zusammensetzt. In erster Linie sollen hierdurch die konzeptspezifischen Verbesserungen, die sich im Vergleich zum seriellen Aufbau bereits in theoretischen sowie experimentellen Untersuchungen gezeigt haben, in größeren Einheiten bestätigt werden. Hierfür sollen mehrere Parallelmodule mit einer jeweiligen Leistung von ca. 50 W optional in Serie und/oder parallel zu einem hybriden Stack zusammengeschaltet werden, der die folgenden Eigenschaften besitzen soll:

- erhöhte Ausfallsicherheit beziehungsweise verringerte Degradation
- fertigungsgerechte Konstruktion im Hinblick auf industrielle Produktion
- kostengünstige Fertigung durch kompakte Bauform (geringe Anzahl an Bauteilen)  glaslotfreie Dichtungstechnik durch RAB- und Laserschweißverfahren  einfache Diagnose zur frühzeitigen Detektion von Degradationserscheinungen  Stack-Leistungsklasse von 200-300 W hybridelektrischer Gesamtleistung Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden die Konstruktion und die fertigungsgerechte Ausle- gung der Doppelzellen-Einheit beziehungsweise eines parallelen SOFC-Stacks mit einem vermehrten Keramikanteil. Dabei gehen insbesondere das ermittelte Strömungsdesign oder vielmehr die bereits untersuchten -geometrien für eine kritische Beurteilung in Bezug auf die fertigungstechnische Umsetzbarkeit sowie deren Optimierung in die konstruktive Entwicklung ein. Ebenso finden hierbei die Realisierbarkeit von Fertigungs- und Fügeverfahren, die Ver- fügbarkeit spezifischer Einzelzellen sowie deren technische Parameter Berücksichtigung.

Da die Doppelzellen die wesentliche Baugruppe eines parallelen SOFC-Stacks darstellen, ist sowohl bei der Auslegung als auch bei Konstruktion in besonderem Maße auf die spätere Funktionserfüllung zu achten. Bezüglich der konstruktiven Umsetzung kann sich auf die Er- gebnisse und Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt gestützt und daran angeknüpft wer- den.

1.4. Aufbau der Arbeit

Die Arbeit beginnt in Kapitel 2 zunächst mit einer grundlegenden Darstellung der Brennstoff- zellentechnik sowie des aktuellen Forschungsstands der entsprechenden Technologie. Da- bei soll zunächst kurz auf die Geschichte der Brennstoffzelle eingegangen werden und ne- ben einer ersten Beschreibung und Charakterisierung der Zellkomponenten in Kapitel 2.3 die prinzipielle Funktionsweise der Brennstoffzelle auf Grundlage der relevanten Thermodyna- mik dargelegt werden. In Kapitel 2.4 sollen zudem überblickshaft existierende Brennstoffzel- lentypen unter Angabe der spezifischen elektrischen Wirkungsgrade skizziert werden, wobei die PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell, dt.: Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) beziehungs- weise PEMFC und insbesondere die für die Untersuchung relevante SOFC im Einzelnen hervorhebend betrachtet werden sollen.

Im dritten Abschnitt wird kritisch auf die Besonderheiten bei der Entwicklung und Umsetzung eines parallel verschalteten SOFC-Stacks in Bezug auf den späteren Betrieb der Brennstoff- zelle eingegangen. Dazu sollen zunächst die Funktionsweise und die spezifischen Haupt- komponenten der SOFC detailliert betrachtet werden. Darauf aufbauend sollen mögliche Auswirkungen auf die Konstruktion und den prozessbedingten Werkstoffeinsatz insbesonde- re bei der Auswahl der Materialen für die Baukomponenten und zum Verspannen und Ab- dichten des Brennstoffzellen-Stacks benannt und herausgearbeitet werden, um dadurch die fertigungsgerechte Gestaltung einer Doppelzellen-Einheit sicherstellen zu können.

Einen wesentlichen Schwerpunkt dieser Arbeit stellt die Konstruktion eines SOFC-Stacks mit paralleler Systemarchitektur dar. Grundvorrausetzung hierbei ist eine fertigungsgerechte Konstruktion mit späterer Montierbarkeit, wonach unterschiedliche Lösungskonzepte insbe- sondere für verschiedene Interkonnektorstrukturen diskutiert beziehungsweise qualitativ be- wertet und einander gegenübergestellt werden sollen. In Kapitel 4.4 werden dann die Vorzugslösungen ausgewählt und mit „Autodesk Inventor“ konstruktiv umgesetzt. Hierbei ist insbesondere die Strömungsverteilung durch entsprechende und auf die Konstruktion gestützte CFD-Simulationen zu berücksichtigen und eine zielorientierte Anpassung der Konstruktion an eine optimierte Fluiddynamik vorzunehmen.

Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die erzielten Ergebnisse zusammengefasst und unter den zuvor genannten Aspekten kritisch bewertet. Des Weiteren sollen Erkenntnisse aus den Untersuchungen und konstruktiven Arbeiten gewonnen sowie reflektiert und abschließend ein Ausblick auf die zukünftige Entwicklung der Brennstoffzellen-Technologie gegeben wer- den.

2. Grundlagen und Stand der Forschung

Der Stack, welcher zwischen Temperaturen von 650 bis zu Höchstwerten von 1.000 °C be- trieben wird, [Ett08], bildet die zentrale Einheit eines SOFC-Systems. Die Funktionsweise der elektrochemischen Energiewandlung ist im Vergleich zu anderen Verfahren relativ kompli- ziert, wonach sich neben materialwissenschaftlichen und elektrotechnischen beziehungswei- se -chemischen Problemstellungen insbesondere verfahrens- und fertigungstechnische Auf- gaben für die Forschung stellen. Da zu den entsprechenden Fragestellungen weltweit bereits eine Vielzahl an Lösungsansätzen in umfassender wissenschaftlicher Literatur existiert, kann auch im Rahmen des behandelten Forschungsprojekts einerseits auf Grundlagenwissen und andererseits auf eine hinreichende Charakterisierung von Werkstoffen zurückgegriffen wer- den, die schon heutzutage in der industriellen Fertigung eingesetzt werden und sich dort bereits bewiesen haben.

In Bezug auf die konstruktive und fertigungstechnische Ausgestaltung von BrennstoffzellenStacks sind die bisherigen Forschungsergebnisse allerdings weniger ausgereift. Dies liegt insbesondere daran, dass sich die Kompatibilität zwischen den aktiven und passiven Kernmaterialen der SOFC-Einheit als Metall-Keramik-Lotwerkstoff-Konstellation nach wie vor als problematisch erweist. Des Weiteren berücksichtigen bisherige Lösungsansätze in der Regel weder die konstruktive Umsetzbarkeit noch eine realisierbare Fertigungstechnik zur Herstellung von marktfähigen Stack-Systemen.

Alternative Konzepte zu einer rein seriellen Verschaltungstechnik werden im Regelfall dabei nicht untersucht oder weiter betrachtet. Es finden sich zwar Zellkonzepte wie das der Fa. CFC (Ceramic Fuel Cells, dt.: Keramische Brennstoffzellen) Ltd. oder Delphi Technologies Inc., bei denen bis zu vier Einzelzellen je Zellebene innerhalb der Interkonnektoranordnung miteinander integriert parallel verschaltet sind, jedoch dann wieder seriell geschaltet zu ei- nem Stack zusammengeführt werden, [Fög10, Hal10]. Das Parallelschalten der Einzelzellen wird hierbei also lediglich dazu vorgenommen, um die resultierende Aktivfläche pro Zellebe- ne zu vergrößern. Die eigentlichen Vorteile der Parallelschaltung werden bei diesen Konzep- ten bisher hingegen nicht wahrgenommen.

In diesem Projekt wird demgegenüber eine parallele Systemarchitektur strikt vorgegeben, um die damit verbundenen prinzipiellen Vorteile beim Betrieb der Brennstoffzelle konsequent auszunutzen. Für turbulare Konzepte ist eine solche parallele oder vielmehr hybride Stack- Bauweise bereits patentiert, [Tul08], ebenso die Anordnung planarer Zellen in einer Ebene (siehe Zellkonzept der Fa. CFC Ltd.). Zu einer planaren Parallelkonfiguration, das heißt mit gestapelten parallelen Planarzellen, konnten in der Literatur bislang jedoch noch keine Veröffentlichungen oder Patente gesichtet werden.

In einem dem Forschungsvorhaben vorangegangenen und im Rahmen der „Niedersächsi- schen Landesinitiative Brennstoffzelle“ geförderten Projekt zur „Entwicklung und Erprobung einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) mit einer parallelen Systemarchitektur“ konnte hingegen das Grundprinzip einer parallel verschalteten SOFC-Brennstoffzelle durch die be- teiligten Projektpartner umgesetzt und die prognostizierten Vorteile einer parallelen Syste- marchitektur anhand der Parallelschaltung von zwei Einzelzellen in zahlreichen Laborversu- chen bestätigt werden, [Dör08, Ham09, Sta10]. Die in dem Vorgängerprojekt erzielten Er- gebnisse führten zu der Erkenntnis, dass im vorwettbewerblichen Umfeld noch wesentliche fertigungstechnologische Problemstellungen zu lösen sind, bevor das Parallelkonzept ver- wertet und planungsgemäß als Serienprodukt in den Markt eingeführt werden kann.

Folgende Aufgabestellungen bieten sich hierbei noch der weiteren Entwicklung und Verbes- serung:

- Erprobung und Optimierung ausgewählter Materialkombinationen zur Reduzierung ther- misch verursachter Degradationseffekte
- Kostenreduzierung durch erhebliche Vereinfachung der notwendigen fertigungs- bezie- hungsweise fügetechnologischen Prozesse
- gezielte verfahrenstechnische Auslegung zur Nutzbarmachung der prinzipiellen Vorteile eines parallelen SOFC-Stacks
- Einzelzellüberwachung als Option zur besseren (transparenten) Betriebsführung

2.1. Geschichte der Brennstoffzelle

1839 beschäftigte sich der britische Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) mit der Konstruktion des ersten Brennstoffzellen-Prototyps nach dem Prinzip zur direkten elektro- chemischen Stromgenerierung aus Brenngasen von Christian Friedrich Schönbein aus dem Jahr 1838, [Mül04]. Grove führte hierzu anfänglich Untersuchungen zur Elektrolyse von Wasserdampf durch, um das von Schönbein entdeckte Phänomen experimentell zu verifizie- ren, und stellte dabei fest, dass die Analyse beziehungsweise Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasser- und Sauerstoff als sogenannte „kalte Verbrennung“ reversibel ist, [ASUE00, Mül04].

Im Jahr 1853 wurden in weiteren Experimenten eine starke Spannungsänderung sowie ein Stromfluss bei der Mischung verschiedener Brenngase mit Sauerstoff unter einem bestimm- ten Verbrennungsluftverhältnis1 von Luft beziehungsweise Sauerstoff zum Brennstoff festge- stellt (heute definiert als = 1) und damit die entscheidende Rolle des Sauerstoffs bei der Elektrodenreaktion gefunden, [Mül04]. Dies sollte der Beginn der Festoxid-Brennstoffzellen- Technologie sein.

Abbildung 2: Funktionsschema der Groveschen Brennstoffzellen-Batterie (1842), [ASUE00]

Da zu dem damaligen Zeitpunkt jedoch andere Erfindungen wie zum Beispiel die Dynamo- maschine von Werner von Siemens (1866) gegenüber der elektrochemischen Stromerzeu- gung als technisch unkomplizierter galten, wurde der Entdeckung der Brennstoffzelle vorerst wenig Bedeutung beigemessen, [Mül04]. Außerdem waren weder die technologischen noch die materiellen Voraussetzungen für die energietechnische Anwendbarkeit von Brennstoff- zellen gegeben und es fehlte noch an grundlegendem Wissen über die innerhalb der Zellen stattfindenden mikroskopischen Verbrennungsprozesse, [ASUE00]. So kam es, dass die Technologie der Brennstoffzelle zwar fortlaufend wissenschaftlich erforscht wurde, allerdings zunächst weitestgehend in Vergessenheit geriet. Noch bis heute machen sich die Kraftwerke den dynamoelektrischen Effekt zur Stromerzeugung aus Bewegungsenergie durch den Ein- satz von Wärmekraftmaschinen zu Nutze. Die untere Abbildung stellt die Umwandlungsstu- fen zur Strom- und Wärmeerzeugung aus chemischer Energie mittels Wärmekraftmaschine und durch den Einsatz einer Brennstoffzelle gegenüber.

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Wärmekraftmaschine vs. Brennstoffzelle, Umwandlungsstufen, [ASUE00]

Während bei konventionellen Aggregaten die verfügbare chemische Energie zunächst in thermische beziehungsweise mechanische und erst dann in elektrische Energie umgeformt werden kann, vollzieht sich die Umwandlung bei der Brennstoffzelle von chemischer in elekt- rische Energie in direkter Form. Entscheidend vorteilhaft ist dabei, dass weder thermische Verluste durch einen Verbrennungsprozess entstehen noch Reibungsverluste anfallen, die zum Beispiel an den Betrieb eines Generators geknüpft sind, womit sich der Netto- Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren deutlich besserstellt, [Kun09].

Erst in den 1950er Jahren wurden zum ersten Mal alkalische Brennstoffzellen aufgrund ihres verbesserten elektrischen Wirkungsgrads in Verbindung mit einer hohen elektrischen Kapazität und einer ausgereiften Energiedichte im Zuge des Kalten Krieges in der Militärtechnik (beispielsweise in Unterseebooten) sowie insbesondere in der Raumfahrt eingesetzt, [ASUE00, Mül04]. Damit war der Grundstein für die weitere Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemen und schließlich auch für die zivile Anwendung gelegt.

Begründet durch das sich fortwährend steigernde Umweltbewusstsein wird die Brennstoffzel- lentechnik seit Anfang der 80er Jahre zunehmend für die Anwendbarkeit in der stationären Energieversorgung getestet. Gegenwärtig sind auf dem Markt bereits die ersten Blockheiz- kraftwerke zur elektrischen und thermischen Versorgung von Großverbrauchern kommerziell verfügbar. Besonders der Einsatz als Antriebstechnologie im automobilen Sektor stellt zur- zeit den weltweit größten F&E-Schwerpunkt dar. Da aufgrund der anvisierten Kostenziele für mobile Anwendungen auch nennenswerte Kostenreduktionen im stationären Bereich zu er- warten sind, sehen viele Experten in der Brennstoffzellentechnologie - sowohl in der Auto- mobilbranche als auch für die stationäre Strom- und Wärmeerzeugung - ein großes Potenzi- al für die Energieversorgung von Morgen. Neben den hohen erreichbaren Wirkungsgraden gelten dabei insbesondere die geringen entstehenden Emissionen nitroser Gase (NOx) und der geräuscharme Betrieb des Verfahrens als äußerst vielversprechend.

2.2. Aufbau und Komponenten

Unter einer Brennstoffzelle wird im engeren Sinne kein Energiespeicher, sondern vielmehr ein Energiewandler verstanden: Das Funktionsprinzip, welches in Abschnitt 2.3 näher erläu- tert werden soll, ähnelt dem einer konventionellen Batterie (vgl. hierzu auch Grovesche Brennstoffzellen-Batterie, Kapitel 2.1, Abbildung 1), nur wird die chemische Reaktionsener- gie bei der Brennstoffzelle nicht im Elektrolyten gespeichert und kann damit - anders als bei einer Batterie - nicht aufgebracht werden. Bei der Brennstoffzelle wird die chemische Ener- gie der Zelle beziehungsweise dem momentan ablaufenden Transformationsprozess konti- nuierlich von außen zugeführt. Im Weiteren ist zur Umwandlung der Energie innerhalb der Zelle keine Verbrennung erforderlich. Demnach ist die Brennstoffzelle eine Art galvanische Zelle, in der die Umsetzung der chemischen Energie eines Brennstoffes (Brenngas) in elektrische Energie auf direktem Weg, das heißt ohne einen vorhergehenden Verbrennungsprozess, stattfindet, [Kun09].

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Übereinanderschichten von Brennstoffzellen zu einem Stack, [Tho02]

Die Kernkomponente einer Brennstoffzelle stellt der Elektrolyt dar. Dieser sollte im Regelfall eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, dafür aber umso besser ionisch leitfähig sein, [Stü02]. Der Elektrolyt wird wiederum von zwei Elektroden (Anode, Kathode) umfasst. Auf der Anodenseite wird das Brenngas (beispielsweise Wasserstoff oder ein Re- format2 ) dem Prozess zugeführt, auf der Kathodenseite wird hingegen Luft oder reiner Sau- erstoff eingeleitet, [Kun09]. Während des Betriebs der Zelle entstehen einseitig durch den Ablauf einer chemischen Reaktion geladene Ionen; die anliegende Partialdruckdifferenz führt dazu, dass die freigesetzten Ionen nun ungehindert durch den Elektrolyten über beide Gas- räume hinweg diffundieren können, bis sie sich an der anderen Elektrode schließlich wieder entladen, [Kun09, Stü02]. Dadurch wird eine elektrische Spannung messbar, die zu einem Stromfluss führt, der wiederum einen extern angeschlossen Verbraucher betreiben, sprich mit elektrischer Energie versorgen kann.

2.3. Funktionsprinzip und chemische Reaktionen

Der im vorangegangenen Abschnitt beschriebene Prozess käme durch das sich aufbauende elektrische Feld der Ionen schnell zum Erliegen. Deshalb müssen beide Elektroden über einen externen Stromkreis elektrisch miteinander verbunden werden, um das durch die wandernden Ionen hervorgerufene elektrische Feld dauerhaft ausgleichen zu können.

Die Ionen bewegen sich genauso lange durch den Elektrolyten, bis an beiden Elektroden dieselbe Konzentration herrscht. Darum muss durch die ununterbrochene Zugabe eines Reaktionspartners dafür gesorgt werden, dass das Konzentrationsverhältnis stetig unausgeglichen bleibt, um den entstehenden Strom zur langfristigen Versorgung eines externen Stromkreises verwenden zu können, [Stü02].

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle, [Stü02]

Abbildung 5 zeigt schematisch das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle mit einem sauer- stoffionenleitenden Elektrolyten, der auch beim Einsatz von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) zur Verwendung kommt. Der in der Darstellung linksseitig durch die Luft zugeführte Sauerstoff nimmt an der Kathode Elektronen auf und bewegt sich in Form von negativ gela- denen Ionen durch den Elektrolyten, [Stü02]. An der Anode kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen den Sauerstoffionen und dem anodenseitig zugeführten Wasserstoff, bei der die vom Sauerstoff transportierten Elektronen an die Anode abgegeben werden und sich über die äußere Last zurück zur Kathode bewegen können, [Kun09, Stü02].

Im Folgenden soll auf die wesentlichen Reaktionsgleichungen eingegangen werden, die die chemischen Vorgänge sowie die Thermodynamik innerhalb von Brennstoffzellen bestimmen. In der Regel stellt die Synthese von Wasser aus Wasser- und Sauerstoff die Basis für die elektrische Energieerzeugung dar (Gl. 1):

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Die Teilreaktionen, die an den Elektroden ablaufen und bei denen es zur jeweiligen Abgabe (Anode) beziehungsweise Aufnahme (Kathode) von Elektronen kommt, lassen sich dabei für den Sauerstoff wie folgt definieren (Gl. 2, 3), [Stü02]:

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Im Weiteren setzt sich die Gleichgewichtsspannung U0 der Brennstoffzelle additiv aus den Spannungspotenzialen ௜ an Anode (A) und Kathode (K) zusammen und ist darüber hinaus abhängig von den jeweiligen Sauerstoff-Aktivitäten 2,௜ an den Elektroden. In Gleichung 4

wurden ausgehend von der Nernst-Gleichung3 die Standardelektrodenpotenziale4 bereits eliminiert, da diese betragsmäßig gleich sind beziehungsweise aufgrund entgegengesetzter Reaktionsrichtungen lediglich unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, und die Formel ent- sprechend vereinfacht (Gl. 4, R: universelle Gaskonstante [8,314 J/(mol·K)], T: absolute Temperatur in K, z: Äquivalentzahl, F: Faraday-Konstante [96.485,34 C/mol]), [Stü02]:

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

Wie in den Gleichungen 2 und 3 ersichtlich ist, werden bei der Reaktion insgesamt vier Elektronen übertragen (z = 4). Des Weiteren kann kathodenseitig unter der Annahme eines idealen Gases die Sauerstoff-Aktivität des entsprechenden Redox-Partners mit dem Stoffmengenanteil xi annähernd gleichgesetzt werden (Gl. 5), [Stü02]:

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

An der Anode wird die Aktivität durch den Wasserstoff als Reaktionspartner beeinflusst. Deshalb muss bei der gemeinsamen Synthese von Wasser die Gleichgewichtskonstante Kx mitberücksichtigt werden (Gl. 6), [Stü02]:

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

Werden die Gleichungen 5 und 6 (bei Vernachlässigung des Stoffmengenanteils des Sauer- stoffs) mit z = 4 in die Ausgangsgleichung 4 zusammengeführt, ergibt sich für die Gleichge-

wichtsspannung der folgende Zusammenhang (Gl. 7):

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

Die in der Gleichung auftretende Enthalpiedifferenz ∆H = - 286 kJ/mol kann allerdings nicht vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden, [Peh01]. Durch die Änderung der sogenannten freien Enthalpie ∆G, welche unter Standardbedingungen5 (p = 1 bar, T = 20 °C) ∆G = - 237 kJ/mol beträgt, wird die bei der H2-Oxidation freiwerdende (reversible) Reakti- onsarbeit beeinflusst, [Peh01]. Nach der Gibbs-Helmholtz-Beziehung6 ist die Differenz beider Enthalpien durch die Betriebstemperatur T und die Entropieänderung ∆S (Gl. 9) gegeben mit

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

und damit die Obergrenze für den thermodynamischen Wirkungsgrad ℎ. der Brennstoffzelle definiert als (Gl. 10), [Peh01]:

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

Für die oben angegebenen Literaturwerte ergibt sich damit ein theoretischer Wirkungsgrad von ℎ. = 0,8288 = 82,88 %.

Bei der Reaktion von einem Mol Wasserstoff (H2) entspricht die Anzahl der bewegten Elektronen der doppelten Avogadro-Konstante. Es ergibt sich die Ladungsmenge (Gl. 11)

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

und ein daraus resultierender Strom von (Gl. 12), [Gro11]:

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

Aus der allgemeinen Definition der (transportierten) elektrischen Energie, welche in diesem

Fall betragsweise der Gibbs-Energie ∆G = - 237 kJ/mol entspricht, leitet sich schließlich die

Gleichgewichtsspannung der Brennstoffzelle zu (Gl. 13)

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

für die Verbrennung von einem Mol Wasserstoff her [Gro11]. In der nachfolgenden Abbildung ist zur Ergänzung der idealtypische Spannungsverlauf einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit vom anliegenden Strom sowie unter Berücksichtigung von Verlusterscheinungen durch ei- nerseits die Aktivierungsüberspannung der Zelle, andererseits durch den ohmschen Wider- stand elektrischer Leitungen oder zu geringen Gastransport zu den Elektroden dargestellt.

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Idealtypischer Kennlinienverlauf einer Brennstoffzelle, [Wan03]

2.4. Brennstoffzellentypen und elektrische Wirkungsgrade

Im Folgenden sind die wichtigsten Brennstoffzellentypen und deren Wirkungsgrade tabellarisch aufgeführt.

Tabelle 1: Brennstoffzellentypen mit elektrischen Wirkungsgraden, [Kuh08]

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten7 8 9 10 11

Brennstoffzellen können neben wässrigen und alkalischen in Polymermembran- sowie phosphorsaure Zellen eingeteilt werden. Außerdem existieren Systeme mit einem sogenannten Schmelzcarbonat- oder oxidkeramischen Elektrolyten.

Wie in der oben aufgeführten Tabelle zu erkennen ist, wird zum einen eine Klassifizierung nach der Art des Elektrolyts vorgenommen, zum anderen kann eine Einteilung nach der ent- sprechenden Betriebstemperatur des Typs erfolgen, wonach zwischen Nieder- (< 200 °C), Mittel- (200-600 °C) und den sogenannten Hochtemperaturbrennstoffzellen (> 600 °C) diffe- renziert wird, [Kuh08].

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Prozessspezifische Klassifizierung von Brennstoffzellen, [Neu11]

Die Polymer- beziehungsweise Protonenaustauschmembran- (PEMFC) und insbesondere die für die Untersuchung relevante oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) sowie deren Aufbau sollen im Folgenden kurz näher beschrieben werden.

2.4.1. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

Den Elektrolyten bildet bei der PEMFC eine protonenleitende Polymermembran aus Kunst- stoff, [Wan03]. Aus Tabelle 1 lässt sich entnehmen, dass diese Art von Brennstoffzellen bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen (50-80 °C) Netto-Wirkungsgrade bis zu 60 % erzielen, was die PEMFC besonders interessant für die Kraftfahrzeugindustrie macht; problematisch ist hierbei jedoch die CO-Unverträglichkeit der Zelle im Betrieb, [Wan03], welches sich als Nebenprodukt bei der Brenngasreformierung abspaltet, [Has08]. Deshalb sollten die ver- wendeten Gase einen möglichst hohen Reinheitsgrad aufweisen, da verunreinigte Kraftstoffe die Effizienz beziehungsweise den Wirkungsgrad durch eine Reduzierung der katalytischen Aktivität herabsetzen oder gar die Zelle beschädigen und im schlimmsten Fall zerstören kön- nen, [Has08]. Zudem neigt der Elektrolyt dazu, auszutrocknen; deshalb ist ein kontinuierliches Feuchthalten des Elektrolyten mit Wasser erforderlich, [Has08].

Neben dem Einsatz in der Automobilbranche wird die PEMFC aktuell auch als mögliche Stromversorgung in der Unterhaltungselektronik für tragbare Endgeräte wie beispielsweise Notebooks oder für diverse mobile Kleingeräte erprobt, [Has08].

Als zukünftiger Brennstoff wird neben Wasserstoff insbesondere Methanol favorisiert; Grund dafür ist, dass bei der sogenannten Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) kein Reformer mehr nötig ist, sondern das Methanol auf direktem Weg elektrochemisch oxidiert werden kann (siehe hierzu Abbildung 7), [Wan03].

2.4.2. Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Die oxidkeramische beziehungsweise Festoxid-Brennstoffzelle (auch bekannt als Festelektrolyt-Brennstoffzelle) unterscheidet sich von den anderen Brennstoffzellentypen im Wesentlichen darin, dass die gesamte Zellarchitektur aus Feststoffen besteht.

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Chemische Prozesse in der SOFC, [Die08]

Da also lediglich feste Werkstoffe (und gasförmige Betriebsstoffe) am Prozess beteiligt sind, ist bei der SOFC ein zusätzlicher verfahrenstechnischer Aufwand wie vergleichsweise bei der PEMFC oder anderen Systemen nicht gegeben, [Has08]. Die hohen Arbeitstemperaturen führen dazu, dass alle für den Prozess relevanten Reaktionen eigenständig stattfinden; dies macht den Einsatz kostenintensiver Edelmetalle als chemische Katalysatoren überflüssig (siehe hierzu auch Kapitel 1.1), womit die Herstellungskosten einer SOFC verhältnismäßig

gering sind, [Has08]. Zudem müssen die Brenngase im Gegensatz zu anderen Verfahren keine gesondert hohe Reinheit aufweisen, was wiederum zu geringeren Betriebskosten führt, [Has08].

[...]


1 Gewichtsverhältnis aus Luft und Brennstoff im Vergleich zu einem stöchiometrischen Gemisch

2 brennbares stickstoffarmes Gas (H2, CO, CH4 etc.) nach Umwandlung aus organischen Rohstoffen

3 beschreibt die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials eines Redox-Paares

4 gegen die Normal-Wasserstoffelektrode gemessene Elektrodenpotenziale

5 Druckluftindustrie (DIN 1945-1)

6 beschreibt die Beziehung zwischen der Enthalpie H und der Gibbs-Energie G

7 stark alkalische, ätzende, wässrige Lösung von Kaliumhydroxid

8 sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE)

9 Sauerstoffsäure des Phosphors

10 Mischschmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat

11 ZrO2 dotiert mit Y2O3 (8 mol-%)

Ende der Leseprobe aus 84 Seiten

Details

Titel
Konzeption und Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit vermehrtem Keramikanteil
Hochschule
Technische Universität Clausthal  (Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF))
Veranstaltung
Masterarbeit
Note
1,3
Autor
Jahr
2013
Seiten
84
Katalognummer
V446658
ISBN (eBook)
9783668831834
ISBN (Buch)
9783668831841
Sprache
Deutsch
Schlagworte
SOFC, Keramik, Brennstoffzelle, PEMFC, Doppelzellen-Einheit, Konstruktion, Autodesk Inventor, Strömungsverteilung, Flowfield-Design, CFD-Simulation
Arbeit zitieren
Marvin Hecht (Autor), 2013, Konzeption und Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit vermehrtem Keramikanteil, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/446658

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