Anwendung in-situ diagnostischer Methoden für die Untersuchung oxidkeramischer Brennstoffzellen

Kurzfassung

Für eine optimale Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen und möglichst geringe Degradation ist eine homogene elektrochemische Aktivität und Temperatur über den gesamten Bereich der Elektroden erwünscht, da eine inhomogene Stromdichte- und Temperaturverteilung zu einer verringerten Nutzung der Reaktanden führt, was sich in einem erniedrigten Wirkungsgrad niederschlägt. Auch die Langzeitstabilität von Zellkomponenten kann durch die ungleichmäßige Verteilung der elektrischen und thermischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. In-situ diagnostische Methoden können wertvolle Informationen liefern, um das Betriebsverhalten von SOFC-Zellen zu optimieren und Strategien zur Verminderung der Degradation zu entwickeln. Trotz der beträchtlichen experimentellen Schwierigkeiten, die mit der hohen Betriebstemperatur verbunden sind, ist es in den letzten Jahren gelungen, neuartige Analyseverfahren, wie ortsaufgelöste Messtechniken und bildgebende Verfahren, auch für die SOFC zu entwickeln und einzusetzen. Der Vortrag gibt einen Überblick über in-situ diagnostische Methoden, die beim DLR Stuttgart für die Untersuchung von SOFC-Zellen entwickelt wurden und eingesetzt werden. Es handelt sich dabei zum einen um ortsaufgelöste Messungen mit Hilfe segmentierter Zellen, wobei Strom-Spannungskennlinien, Impedanzspektroskopie, Gaschromatographie und Temperaturmessungen lokale Informationen über elektrochemische und thermische Eigenschaften der Zelle liefern. Mit dem aufgebauten Messsystem können realsystemnahe Effekte zeitlich und ortsaufgelöst gemessen und miteinander korreliert werden. Das Messsystem kann zur Aufklärung der Brenngasumsetzung entlang des Strömungswegs und zur Identifizierung der damit möglicherweise verbundenen korrosiven Bedingungen eingesetzt werden. Daneben kann es zur Optimierung des Strömungsdesigns und zur Untersuchung möglicher Effekte der Homogenisierung der Leistungsdichte- und Temperaturverteilung herangezogen werden. Zum anderen wurde kürzlich beim DLR ein Teststand mit einem transparenten optischen Zugang zum Anodengasverteiler aufgebaut, wodurch mittels Laser-Ramanspektroskopie die Konzentrationen von Gasspezies entlang eines Gaskanals mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden können. Es werden beispielhaft Ergebnisse beider Analysenverfahren vorgestellt und die Potenziale sowie Grenzen der unterschiedlichen Techniken diskutiert.