Keramische Energiewandler

Gruppe

Am Fraunhofer IKTS haben die Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) und Hochtemperatur-Elektrolyseure (SOEC) eine lange Tradition. Bereits seit den 1990er Jahren forscht die Gruppe »Keramische Energiewandler« an SOFCs (solid oxide fuel cells) und hat sich dabei umfassende Grundlagen zur Auslegung und Herstellung planarer Brennstoffzellen-Stacks erarbeitet. Das Kompetenzportfolio reicht von der Glaslotentwicklung, Folientechnik sowie dem Aufbau und der Bearbeitung von Interkonnektoren über die Zellentwicklung und -kontaktierung an Gas- und Luftseite bis hin zur Fügetechnik, Simulation und dem Initialisieren der SOFC-Stacks.
 

SOFC-Stack-Entwicklung

Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stacks sind eine Kernkomponente in SOFC-Systemen. Ihre Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit sowie die reproduzierbare Herstellung unter moderaten Kosten sind Voraussetzung dafür, dass Brennstoffzellen-Systeme breite Anwendung im Markt finden.

Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS unterstützen Anwender dabei, genau auf den Kunden zugeschnittene Stack-Designs zu entwickeln. Dies umfasst sowohl den Bau von Prototypen als auch den Test der Systemperformance mithilfe von standardisierten und adaptierten Charakterisierungsverfahren. So entwickelt das Fraunhofer IKTS mit seinen Partnern beispielsweise Brennstoffzellen-Stacks für die dezentrale Energieversorgung von Mikro-KWK-Systemen bis hin zu Systemen mit einer Leistung von über 20 Kilowatt. Des Weiteren konzipiert das Forschungsinstitut für seine Kunden automatisierbare Fertigungsprozesse für die kostengünstige Herstellung der Brennstoffzellen.

© Fraunhofer IKTS

30-Ebenen MK352-Stack aus CFY-Interkonnektoren: Ein Herzstück in Brennstoffzellen-, Elektrolyse- und wechselbetriebenen Systemen der Energiewandlung.

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Zusammenbau eines CFY-Stacks.

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Unterschiedliche Einsatzbereiche von MK35x-CFY-Stacks. Einsatz im Bennstoffzellen- (SOFC), Elektrolyse- (SOEC) und Wechselbetrieb (rSOC).

Hochtemperatur-Elektrolyse

Die gewonnenen Erfahrungen und Trends aus der Brennstoffzellenforschung übertrugen die Wissenschaftler Anfang der 2000er Jahre in den Bereich der Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC), die den umgekehrten SOFC-Betrieb darstellt. Im Elektrolysebetrieb werden durch Anlegen einer Spannung Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid oder ein Gemisch aus beiden Gasen (Co-Elektrolyse) reduziert. Aus der elektrischen Überschussenergie entsteht Brenngas, das gespeichert und wieder verstromt werden kann.

Das Brenngas kann aber auch als Synthesegas im Fischer-Tropsch-Verfahren zur nachhaltigen Produktion chemischer Produkte verwendet werden. Auf die Verfeinerung dieses Prozesses konzentrieren sich gegenwärtig einige Forschungsprojekte am Fraunhofer IKTS.
 

rSOC: Stromerzeuger und Energiespeicher in einem System

Die jüngsten Entwicklungen zielen darauf ab, Stromerzeugung und -speicherung in ein System zu integrieren. Dafür entwickelt die Gruppe »Keramische Energiewandler« sogenannte rSOCs (reversible solid oxide cells). Diese reversiblen Hochtemperatur-Festoxidzellen verbinden die Vorteile der Brennstoff- und Elektrolysezelle. Dadurch entsteht ein effizientes, wechselbetriebenes System der Energieumwandlung, das Strom erzeugt, Überschussstrom speichert und bei Bedarf wieder abgibt – oder in einer weiteren Verwertungslinie chemische Stoffe nachhaltig produziert.  
 

Qualitätssicherung von SOFC, SOEC und rSOC

Sowohl bei den rSOCs als auch bei den Brennstoffzellen und den Elektrolyseuren werden die Aktivitäten darauf fokussiert, die Kosten und Degradationsraten zu reduzieren. Das umfasst die Einzelkomponenten ebenso wie die Stacks und komplexen Energiesysteme. Das Fraunhofer IKTS ist weltweit vernetzt und setzt Standards bei Tests von Komponenten, Stacks und Stackmodulen in Bezug auf Langzeittest, Zyklisierungen und Untersuchungen zur beschleunigten Alterung.

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Teststände für SOFC-Brennstoffzellensysteme.

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Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stackmodule (SOFC-Stackmodule).

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Gefügter 30-Ebenen-SOFC-Stack.

Leistungs- und Kooperationsangebot für Brennstoffzellen- und Elektrolysesysteme  
 

  • Test von Stackkomponenten für Brennstoffzellen und Elektrolysezellen (SOFC/SOEC/rSOC) unter realen Betriebsbedingungen
  • Tests von SOFC/SOEC/rSOC-Stacks unterschiedlicher Größe
  • Stack- und Stackmodulentwicklung für den Einsatz in SOFC/SOEC/rSOC-Systemen bis zur Prototypenherstellung
  • Untersuchung der Degradationsprozesse in SOFC/SOECrSOC-Stacks und Aufklärung der Degradationsmechanismen
  • Vertrieb von SOFC/SOEC/rSOC-Stacks und Brennstoffzellen-/Elektrolyse-Modulen für verschiedene Anwendungen

Forschung aktuell

Zellen und Stacks für die Synthesegasproduktion durch CO-Elektrolyse