Entwicklung und Herstellung von foliengegossenen, anodengestützten Festoxidbrennstoffzellen

Festoxidbrennstoffzellen bieten die Möglichkeit, hocheffizient elektrische Energie aus Wasserstoff oder auch Erdgas zu gewinnen. Während zu Beginn der Brennstoffzellenforschung Effizienzsteigerung und Materialentwicklung im Vordergrund standen, tritt in den letzten Jahren immer mehr die Entwicklung preisgünstiger Fertigungstechnologien in den Fokus. Am Institut für Energieforschung IEF-1 des Forschungszentrums Jülich werden bisher wenig automatisierbare, sehr zeit- und vor allem arbeitsintensive Prozesse für die Herstellung von Festoxidbrennstoffzellen angewandt. In Hinblick auf eine mögliche Markteinführung von Brennstoffzellen müssen die Stückpreise jedoch noch deutlich gesenkt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der kostengünstigen und hochproduktiven Herstellung von Festoxidbrennstoffzellen mit Hilfe von hoch automatisierbaren, bereits etablierten Formgebungsprozessen. Dazu wurde das aus der keramischen Industrie bekannte Verfahren des Foliengießens nach dem Doctor Blade Verfahren für die benötigten Substrate verwendet. Für die Herstellung der Festoxidbrennstoffzellen wurden zwei gießfähige Schlicker mit und ohne Porosierungsmittel entwickelt, mit welchen Substrate mit einer Dicke von 300 – 500 μm im endgesinterten Zustand hergestellt wurden. Durch die Anpassung der Sinterparameter bei der Applikation der notwendigen Schichten für die Festoxidbrennstoffzelle wurden Bauteile mit hoher Festigkeit und zugleich hoher Leistungsfähigkeit hergestellt. Dazu wurden für das Aufbringen der Anode und der Elektrolytschicht verschiedene Verfahren verwendet. Verglichen mit den derzeitigen Jülicher Standardzellen konnten durch Optimierung der Prozessschritte bis zu 10% höhere Leistungswerte in Einzelzellmessungen nachgewiesen werden. Parallel dazu wurde der Nachweis erbracht, dass endkonturnah gefertigte Zellen in einem entsprechenden Stack eingesetzt und betrieben werden können. Die Arbeit beschäftigt sich somit mit dem vollständigen Herstellungsablauf vom Rohstoff bis hin zum Betrieb der fertigen Bauteile. In Hinblick auf eine weitere Kostenreduktion bei der Herstellung wurde zusätzlich ein Verfahren entwickelt, mit dem die Halbzellen bestehend aus Substrat, Anode und Elektrolytschicht ausschließlich mit dem vollkontinuierlichen Formgebungsverfahren Foliengießen hergestellt werden können. Die Halbzellen können dabei in einem Schritt ohne Einebnen während der Wärmebehandlung gesintert werden und stellten ihre Einsetzbarkeit in Einzelzellmessungen unter Beweis.