Stabilität von Matrixwerkstoffen für den Einsatz in MCFC

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) mit ihrer elektrischen Effizienz von 48 % für 350 kW- bis 3 MW-Systeme, gehört derzeit zu den ausgereiftesten und effizientesten Brennstoffzellentechnologien. Im Betrieb wird der flüssige Karbonatelektrolyt durch Kapillarkräfte innerhalb einer porösen Matrix aus Sub-Mikrometer LiAlO₂-Partikeln gespeichert. Sowohl das Speichervermögen als auch die Zelllebensdauer sind maßgeblich von der Stabilität dieser Schlüsselkomponente abhängig. Partikelwachstum und/oder Phasenumwandlung können beim Langzeitbetrieb das Rückhaltevermögen für den Elektrolyten reduzieren und somit die Lebensdauer beeinflussen. Obwohl die Synthese vom LiAlO₂-Nanopulver bereits in der Literatur beschrieben ist, stellen die Partikelvergröberung und die Phasenumwandlung unter MCFC-Betriebsbedingungen eine große Herausforderung dar.

Um stabilere und gleichzeitig kosteneffiziente Materialien bereitzustellen, untersucht die neugegründete Fraunhofer Attract-Gruppe »Werkstoffe MCFC« die grundlegenden Einflüsse der Syntheseparameter auf das Vergröberungsverhalten und die Phasenumwandlung von LiAlO₂. Die Versuche umfassen die Pulversynthese, die Matrixherstellung mittels Foliengießen und Materialtests bis hin zur Charakterisierung der Materialien in Voll- und Halbzellen. Aufgrund ihrer Einfachheit, der guten Aufskalierungsmöglichkeiten und der kostengünstigen Ausgangsstoffe ist für die Synthese von LiAlO₂ die Festphasenreaktion zwischen Böhmit (AlOOH, Sasol Germany GmbH) und Lithiumkarbonat (Li₂CO₃, Sigma-Aldrich Chemie GmbH) ausgewählt worden. Um die Kinetik des  Kalzinierungsprozesses zu verstehen, ist ein breites Spektrum an Kalzinierungszeiten und Temperaturen untersucht worden. Die Kristallstruktur, Porosität, Phasenreinheit und Morphologie der Pulver ist mittels  Röntgenbeugung (XRD), Brunauer-Emmett-Teller-Methode (BET), Differential-Thermo-Analyse und  Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert worden. Aktuelle Arbeiten zeigen, dass durch eine chemische Modifizierung der Ausgangsmischung, eine unerwünschte LiAlO₂-Phasenumwandlung bei  Kalzinierungstemperaturen von 700 °C verhindert werden kann. Diese Verbesserung führt zu einem LiAlO₂-Pulver, das in einem breiteren Temperaturbereich stabil ist. Die Ergebnisse entstanden mit finanzieller Unterstützung von BMWi »MCFC_Next« und Fraunhofer Attract »Innovelle«.