Prozessentwicklung für eine Serien-Fertigung von SOC-Zellen und -Stacks

Seit 20 Jahren wird am Fraunhofer IKTS intensiv an Hochtempera­turbrennstoffzellen (SOFC) mit elektrolytgetragenen Zellen (SOC) geforscht. Zuletzt rückt deren Anwendung in Hochtemperatur­elektrolyseuren (SOEC) stärker in den Fokus. Deshalb wurden am IKTS bidirektional arbeitende SOC-Zellen und -Stacks entwickelt. Sie sind die Schlüsselkomponenten für die Wandlung von Über­schussstrom in synthetische, flüssige und gasförmige Kraftstoffe und dessen effiziente Rückverstromung. Die auf einer Chrom- Basis-Legierung basierenden SOC-Stacks im MK35x-Design stehen kurz vor der Kommerzialisierung. Gemeinsam mit der mPower GmbH wird aktuell eine Prototypenfertigung von SOFC/ SOEC-Stacks mit einer Zielkapazität von 1 MW/Jahr und der Er­weiterungsmöglichkeit auf 10 MW/Jahr auf Basis der am IKTS etablierten Laborfertigung konzipiert. Für die geschwindigkeits­bestimmenden Schritte der Laborfertigung, wie Beschichtung, Stack-Assemblierung und Fügeprozess wurden automatisierte Lösungen entwickelt, um eine serientaugliche Prozesskette mit maximaler Ausbringungsquote und geringem Maschinen- und Personalbedarf aufzubauen. In der Zellfertigung wurde durch Im­plementierung einer kontinuierlichen Siebdruck- und Trocknungs­technologie sowie einer zerstörungsfreien Prüfung der kerami­schen Elektrolyte eine hohe Ausbeute erreicht. Mittels einer am IKTS entwickelten halbautomatischen Glasapplikationsmaschine (SANGAM) konnten nicht nur die Taktzeit zur Bestückung der Einzelkomponenten um 70 % gesenkt, sondern auch der dar­auffolgende Stapelprozess automatisiert werden. Der technische Durchbruch gelang durch eine Technologieänderung bei der Glasfolienapplikation. Im Fügeprozess wird das Glas aufge­schmolzen und dichtet die Brenngasseite von der Luftseite und der Umgebungsatmosphäre ab. Da dieser Prozess energieintensiv ist, wurde eine starke Verkürzung der Wärmebehandlung vorge­nommen und experimentell validiert. Dazu passend wurden Füge­maschinen konzipiert, die bis zu 90 % weniger Energie als zu Beginn der Entwicklung benötigen. Die entwickelten Kernkom­ponenten und Prozessoptimierungen ermöglichen die Fertigung von 1 MW/Jahr (1000 Stacks inkl. Zellfertigung) auf einer Pro­duktionsfläche von weniger als 500 m².

Leistungs- und Kooperationsangebot

• Prozessoptimierung bei Siebdruck und Assemblierung
• Test von Stackkomponenten unter realen Betriebsbedingungen
• Stack- und Stackmodulentwicklung für SOFC/SOEC-Systeme