Electrochemical Characterisation of a Solid Oxide Cell (SOC) Stack for Power-to-Gas Applications

Kurzfassung

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der elektrochemischen Charakterisierung eines oxidkeramischen (solid oxide cell, SOC) Hochtemperaturstacks für Power-to-Gas (PtG) Anwendungen. Die Untersuchungen wurden am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt und sind Teil des RSOC (Reversible Solid Oxide Cell) Projekts. Projektpartner ist neben dem DLR der Autohersteller Audi GmbH und Sunfire GmbH der Stacklieferant. Im Rahmen des RSOC (Reversible Solid Oxide Cell) Projekts werden RSOC-Module von Sunfire in die industrielle PtG-Anlage von Audi in Werlte integriert und unter Realbedingungen getestet. Um das Langzeitverhalten zu analysieren, werden baugleiche Stacks am DLR in einem Laborteststand unter systemnahen Bedingungen betrieben. Der im Rahmen dieser Arbeit getestete SOC Stack besteht aus 30 elektrolytgetragenen Zellen (electrolyte supported cells, ESCs). Der SOC Stack wurde sowohl im Brennstoffzellen- als auch im Elektrolysemodus betrieben. Im anfänglichen Brennstoffzellenbetrieb bei 820°C und einer Brenngaszusammensetzung aus 40 % H2 und 60 % N2 wurde eine hohe Gasdichtigkeit des Stacks und eine gute Leistungsfähigkeit bei 70 % Brenngasumsatz (fuel utilisation, FU) ermittelt. Im Elektrolysebetrieb erfolgte bei 820°C mit 80 % Dampf eine ausführliche elektrochemische Anfangscharakterisierung und ein Langzeittest bei konstanter Stromdichte. Die Untersuchung des Anfangsverhalten ergab ein gute und hohe Stackleistung. Dies wurde durch die Aufnahme von Strom-Spannungskennlinien bestimmt. Die Langzeituntersuchung über 2400 h bei einer konstanten Stromdichte zeigte eine geringe Spannungsdegradation des Stacks. Trotz verschiedener Degradationsverhalten der einzelnen Ebenen, wies der Stack insgesamt ein gutes Langzeitverhalten auf. Als Hauptursache für die Spannungsdegradation wurde ein starker Anstieg des ohmschen Widerstands mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) ermittelt.