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1.10 Modellbasierte Optimierung von MIEC-SOFC-Anoden
Kosten und Lebensdauer sind zurzeit die limitierenden Faktoren für den breiteren Einsatz von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) mit Erdgas zur kombinierten Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme. Darum ist eine systematische Optimierung von Materialien und Zell-Design erforderlich, um die Effizienz und Lebensdauer zu steigern. In unserem Ansatz setzen wir auf digitales Materialdesign (DMD), wobei Methoden der Multiphysik-Simulation, 3D-Mikrostrukturcharakterisierung (Tomographiedaten) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) kombiniert werden. Basierend auf dem DMD-Ansatz werden die Beziehungen zwischen Materialeigenschaften, Mikrostruktur, Zell-Design und Performance auf einem quantitativen Level erarbeitet. Dieser Ansatz ermöglicht die Definition von Design-Richtlinien für optimierte Elektroden und beschleunigt den Innovationszyklus für zukünftige SOFC-Geräte.
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Mitwirkende: P. Marmet, L. Holzer, T. Hocker, J. Brader, J. Grolig, H. Bausinger, A. Mai Partner: Hexis AG Finanzierung: BFE Dauer: 2019–2022
Für die nächste Generation von SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) verlangt der Markt nach höherem Wirkungsgrad, längerer Lebensdauer und niedrigeren Systemkosten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, arbeiten wir an neuen Anodenkonzepten, die auf Mischleitern (mixed ionic and electronic conductors, MIEC) wie dotiertem Ceroxid und Perowskit-Materialien basieren. Aufgrund der komplexen physikalisch-chemischen Prozesse, die den Gastransport in den Poren, den Transport von Ionen und Elektronen in der Ceroxidphase, die Brennstoffoxidationsreaktion an der Oberfläche des Ceroxids usw. beinhalten, gibt es zahlreiche entgegengesetzte Anforderungen, welche den Entwicklungsprozess erschweren. Für eine systematische Optimierung des Systems sind daher ausgefeilte Methoden erforderlich, die sowohl mathematische Modelle als auch experimentelle Methoden umfassen.
Abb. 1: Simuliertes Anoden-EIS-Spektrum mit separierten Impedanzprozessen: ZSR = Wasserstoffoxidationsreaktion, Zchrg tpt = Transport der Ladungsträger, Zgas = Gasimpedanz, Zanode,tot = Totale Impedanz der Anode.
In der SOFC-Forschung ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ein wesentliches Charakterisierungswerkzeug, das als Grundlage für die Materialoptimierung auf Elektroden-, Zellen- und StackLevel dient. Überlappende Prozesse in den EISSpektren und fehlendes Verständnis der komplexen Vorgänge machen es jedoch schwierig, die EISSpektren richtig zu interpretieren. Am ICP entwickelte Multiphysik-Simulationsmodelle mit AC- und DC-Modi ermöglichen die Simulation der EIS-Spektren sowie des DC-Verhaltens während des normalen Zellbetriebs. Damit wird ein grundlegendes Verständnis der komplexen Prozesse und eine Separierung der EIS-Spektren erreicht. Mit einem kalibrierten Simulationsmodell können die Auswirkungen von Designanpassungen (z. B. Material- und Mikrostrukturvariationen) auf die Zellleistung beurteilt werden. Ein wesentlicher Punkt ist dabei die korrekte Beschreibung der Mikrostruktureffekte.
Abb. 2: Flächenspezifischer Widerstand (ASR) von Anoden für verschiedene Mikrostrukturen als Funktion der Schichtdicke L.
Die Mikrostrukturanalyse auf der Grundlage der FIBTomographie ermöglicht die Quantifizierung morphologischer Merkmale (Tortuosität, Porosität usw.) und der damit verbundenen Transporteigenschaften. Mit dem Digital Materials Design (DMD)-Ansatz kann der Einfluss von Mikrostrukturvariationen auf die Zellleistung bestimmt werden. Indem die Beziehung zwischen Materialeigenschaften, Mikrostruktur, Zelldesign und Leistung hergestellt wird, können Richtlinien für ein neues Anodenmaterialdesign abgeleitet werden. Dies ermöglicht eine schnellere und systematischere Entwicklung neuer SOFC-Elektroden.
