Degradationsmonitoring und Betriebsoptimierung einer SOEC

Festoxidelektrolysezellen (SOEC) sind elektrochemische Einheiten, welche überschüssige elektrische Energie direkt in chemische Energie in Form von Brennstoffen, wie Wasserstoff, Syngas und Methan hocheffizient umwandeln. Diese nachhaltig produzierten Brennstoffe können anschließend zur Erzeugung von Wärme und Strom, sowie für mobile Anwendungen genutzt werden. Im Gegensatz zu Batterien oder Niedertemperaturbrennstoffzellen werden in SOECs keine hochpreisigen oder seltenen Materialien (wie Platin oder Lithium) verwendet. Aufgrund dieser und weiterer nicht genannten Vorteile entwickeln sich SOECs zu einer zukunftsträchtigen Technologie für hocheffiziente Energieumwandlung. Allerdings sind SOECs im Betrieb gewissen Nachteilen konfrontiert: Da hohe Betriebstemperaturen von ~550-900C erforderlich sind, kommt es zu diversen unerwünschten Degradationsprozessen, welche die Langzeitstabilität und die Effizienz reduzieren. Diese Minderung der Langzeitperformance ist die wesentliche Hürde für die großtechnische Anwendung von SOEC Systemen. Dabei gibt es zwei grundlegende Problemstellungen: (1) Unzureichendes Verständnis über die Rahmenbedingungen der Degradationsprozesse der Zelle; (2) Fehlende zuverlässige Identifizierungsmethoden, welche ablaufende Degradationsmechanismen frühzeitig erkennen können und es somit ermöglichen, geeignete Gegenmaßnahmen zu auftretenden Degradationen zu ergreifen. Ähnlich verhält es sich in der medizinischen Diagnostik, wo die Detektion des aktuellen Gesundheitszustandes (Istzustand der Zelle), sowie die Ursache der auftretenden Symptomatik (Bestimmung des Degradationsmechanismus) die Grundlage für die spätere Behandlung des Patienten (Regenerationsstrategie) darstellen. Diese Vorgehensweise bildet somit die Grundlage für das aufstrebende Forschungsfeld des Online-Monitorings von SOEC-Systemen, wo fundiertes Wissen bis dato kaum vorhanden ist. Eine weitere zentrale Aufgabenstellung, ist die Entwicklung effizienter Gegenmaßnahmen zur VermeidungoderVerlangsamung von Degradationsmechanismenin SOECs.Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Diagnostizierung und die Entwicklung von Gegenmaßnahmen von Degradationsmechanismen: Es sollen neue Erkenntnisse über SOEC-Degradationsprozesse gewonnen werden und bisher nicht verfügbare Methoden zur Online-Überwachung von SOEC-Systemen, über den Stand der Technik hinaus, entwickelt werden. Diese Forschungstätigkeiten werden von einem interdisziplinären Team bestehend aus Wissenschaftlern der TUG und JSI durchgeführt. Somit kann die Lücke in der Wissenschaft über Degradation von SOEC-Systeme geschlossen werden und der Patient kann unter stabilen Bedingungen betrieben werden. Das Team der JSI wird sein Know-How im Bereich des Designs von Mitigationsmethoden für Fertoxidbrennstoffzellen (SOFC) sowie Signalverarbeitung und Monitoring nutzen, um die Früherkennung der Zellschädigung zu ermöglichen. Das Team der TUG eignete sich bereits fundiertes Wissen über Zelldegradationen im Brennstoffzellenbetrieb an und wird diese Erfahrung in die experimentellen Untersuchungen von Zellen in Elektrolysebetrieb in diesem Projekt anwenden. Alle gewonnenen Daten werden der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und liefern somit die ersten öffentlich verfügbaren Daten über SOEC-Haltbarkeitstests. Durch die entwickelten und anhand experimenteller Untersuchungen validierter Methoden soll es ermöglicht werden, alle gleichzeitig auftretenden Degradationsmechanismen zu identifizieren, vorherzusagen und rechtzeitig vor Eintritt irreversibler Degradation zu vermeiden. 1

Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, die verschiedene Degradationsprozesse (Alterungsprozesse), die während der Wasserstofferzeugung in Hochtemperatur-Elektrolyseuren (SOEC) auftreten, zu identifizieren und zu verstehen. Dabei sollten Techniken entwickelt werden, die es ermöglichen, die Performance zu optimieren, die Alterung zu verringern und somit die Lebensdauer der Technologie zu verlängern. Um diese Ziele zu erreichen, wurden zahlreiche Kurz- und Langzeitexperimente im Labormaßstab unter Anwendung verschiedener Methoden zur Leistungsüberwachung durchgeführt. Die verschiedenen Arten der Leistungsverschlechterung und der mikrostrukturellen Änderungen wurden anhand der umfangreichen Messdaten detailliert analysiert. Im Zuge dessen wurden Strategien zur Beschleunigung verschiedener Degradationsmechanismen als Alternative zur herkömmlichen Leistungsbewertung durch Langzeittests entwickelt. Diese Methoden ermöglichen eine schnelle Bewertung der SOEC-Leistung und eine Vorhersage über die Lebensdauer der Technologie. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass nur einige hundert Betriebsstunden ausreichen können, um die langfristige Leistung vorherzusagen, wenn geeignete Betriebsbedingungen gewählt werden. Darüber hinaus wurden Strategien zur Abschwächung der Degradation und zur Regeneration der SOEC-Leistung während der Co-Elektrolyse von H2O und CO2 entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen das große Potenzial der angewandten Betriebsstrategien zur nachhaltigen Abschwächung der Degradation und zur Regenerierung der SOEC-Leistung wobei ein spezieller Fokus auf kurzer Anwendungszeiten gelegt wurde. Des Weiteren wurden neuartige Online-Überwachungsinstrumente zur Identifizierung von Degradationsmechanismen getestet und validiert. Zudem wurde das große Potenzial künstlicher neuronaler Netze als zeiteffizientes und erschwingliches Instrument zur Vorhersage der SOEC-Leistung mit hoher Genauigkeit unter realen Bedingungen nachgewiesen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieses Projekts uns nicht nur in die Lage versetzt haben, zu verstehen, warum und wie verschiedene relevante Degradationsprozesse auftreten und sich im Laufe der Zeit entwickeln, sondern auch, wie wir sie abschwächen oder sogar verhindern können und somit die Lebensdauer der Technologie nachhaltig verlängern können.