Das Projekt "Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC), IWE 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik durchgeführt. Computerunterstuetzte Material- und Technologieentwicklung fuer die SOFC - Eine Absenkung der derzeitigen Betriebstemperaturen (950 bis 1000 Grad Celsius) der SOFC um mindestens 200 K, die hohe wirtschaftliche Vorteile verspricht, ist nur durch eine gezielte Optimierung der SOFC-Einzelzellen durch eine Verringerung der elektrischen Verluste zu realisieren. Diese Aufgaben erfordern eine Fortsetzung der intensiven Material- und Technologieentwicklung fuer die SOFC, die zunehmend durch eine Modellierung, Simulation und Optimierung der elektrisch und elektrochemisch aktiven Komponenten unterstuetzt werden muss. Zur Beschreibung des elektrischen Verhaltens und zur Identifizierung der Verlustfaktoren in SOFC-Einzelzellen soll ein Simulationsmodell entworfen werden, das auf dem Prinzip der Systemidentifikation basiert. Voraussetzung dafuer sind umfangreiche Messdaten zum Betriebsverhalten sowie spezifische Charakteristika der funktionskeramischen Materialien und SOFC-Einzelzellen vor und nach Betrieb. Derartige Datensaetze liegen am Institut aus bereits abgeschlossenen Industrieprojekten vor und werden im Laufe des Projekts durch elektrochemische Messungen an SOFC-Einzelzellen erweitert. Ziel des Teilprojekts ist sowohl die Unterstuetzung der experimentellen Weiterentwicklung der SOFC-Einzelzellen in den anderen Teilprojekten als auch ihre modellmaessige Beschreibung. Umweltrelevanz: Als elekrochemische Energiewandler ermoeglichen Hochtemperatur-Brennstoffzellen eine direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brenngases (zB Erd- und Kohlegas aber auch Wasserstoff) in elektrische Energie. Kraftwerke auf SOFC-Basis zeichnen sich aufgrund ihres deutlich hoeheren elektrischen Nettowirkungsgrades von bis zu 65 Prozent durch niedrige CO2- und Schadstoffemissionen aus und ermoeglichen eine sowohl umweltfreundliche als auch wirtschaftliche Energieerzeugung.
Das Projekt "Entwicklung und Fertigung von langzeitstabilen Komponenten fuer Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) der 50 kW-Klasse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Die Entwicklung des Siemens Hochtemperatur-Brennstoffzellenkonzepts soll bis Ende 1995 an einem Stack der 20 kW Klasse nachgewiesen werden. An diesen wichtigen Meilenstein schliesst ein Folgevorhaben an, das Gegenstand der gestellten Foerderung ist. Das flache Zelldesign mit metallischer bipolarer Platte soll im Hinblick auf groessere Stackeinheiten und kostenguenstigere Fertigungsverfahren weiter entwickelt werden. Es wird eine Anlagen- und Stackkomponenten Fertigung in entsprechenden Technika aufgebaut. Das Keramotechnikum wird dahingehend erweitert, dass dort bis zu 12000 PENs (100 x 100 mm2) pro Jahr gefertigt werden koennen. Dort werden bis zu 600 /a bipolare Platten (400 x 400 mm2) gefertigt und montiert. Mit Hilfe dieser Technologie soll das wichtigste Ziel bis Ende 1998, der erfolgreiche Betrieb einer SOFC Anlage der 50 kW Klasse ( Erdgas / Luft ) erreicht werden. Der Stack wird aus 4 Modulen von je 12,5 kW aufgebaut und soll alternativ auch mit Wasserstoff / Sauerstoff bzw. Luft betrieben werden koennen. Schwerpunkt der Technologieentwicklung ist eine Verbesserung der Langzeitstabiltaet bei der die Alterung auf unter 1 Prozent in 1000 Stunden bei Erdgasbetrieb verbessert werden soll. Der Erdgasbetrieb setzt die Beherrschung der internen Reformierung voraus, die in einer parallel laufenden Entwicklungslinie zunaechst an kleineren Stackeinheiten erprobt wird (1-3 kW).
Das Projekt "Langzeitverhalten von SOFC bei wechselnden Gasqualitaeten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH (DEW) durchgeführt. Entwicklung eines Brennstoffzellensystems fuer die haeusliche Anwendung.
Das Projekt "Einsatz von Hochtemperaturbrennstoffzellen in der Energietechnik. Versuche und Untersuchungen zur Stackentwicklung. Untersuchungen zu Kraftwerkssystemen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fachhochschule Hamburg, Fachbereich Maschinenbau und Produktion durchgeführt. Vorliegende Konzepte von kombinierten Kraftwerken mit Hochtemperaturbrennstoffzellen SOFC (Solide Oxide Fuel Cell) fuehrten im Jahre 1991 zu Gesamtwirkungsgraden deutlich unter 70 Prozent. Dies ist nur relativ wenig mehr, als bei heute konzipierten GuD-Kraftwerken mit 58 Prozent erreicht werden kann. Dies war der Ausloeser fuer die eigenen Untersuchungen. Es zeigte sich, dass das bisher verfolgte Konzept einer adiabat betriebenen Brennstoffzelle mit Verbrennungsluftkuehlung fuer diese Begrenzungen verantwortlich ist. Ein neu entwickeltes Kraftwerkskonzept mit der Annaeherung an eine isotherm betriebene Brennstoffzelle fuehrte zu rechnerischen Wirkungsgraden bis 78 Prozent. Eine Planungsstudie zeigt die generelle Machbarkeit des Konzepts. Dabei sind noch nicht alle Moeglichkeiten der Prozessverbesserung ausgeschoepft. Es wird aber schon jetzt deutlich, dass die Weiterentwicklung von kombinierten SOFC-Kraftwerken eine wesentliche Grundlage zur Senkung der CO2-Emission ist. Ein neu entwickelter, nicht vollstaendig reversibler Vergleichsprozess zur Potentialabschaetzung laesst Wirkungsgrade um 80 Prozent erwarten. Ein in der Folge entwickelter vollstaendig reversibler Vergleichsprozess zeigt, dass nur der Zustand der Umgebung und die Art der Verbrennungsreaktion die reversible Arbeit eines Brennstoffzellenkombikraftwerkes bestimmen. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde ein Vergleichsprozess entwickelt, der die Brennstoffaufbereitung einschliesst. Auch hierbei erweisen sich Wirkungsgrade bis 80 Prozent bei erdgasbefeuerten Anlagen als moeglich. Ein theoretisches Modell zur Beurteilung der Scale-up Effekte zeigt, dass bei Leistungsgroessen ueber 1 MW hocheffiziente Kombikraftwerke baubar sind. Eine Umsetzung der Theorie bei kombinierten SOFC-Gasturbinenkraftwerken ist in den USA ab 2000 zu erwarten, eine ersten Versuchsanlage soll 1999 in Kalifornien gebaut werden. Die laufenden eigenen Arbeiten beziehen sich jetzt auf die wirtschaftliche Verbesserung der Kreislaeufe. Bisher wurden Versuche mit planaren Zellen durchgefuehrt. Basierend auf diesen Versuchsergebnissen zeigten eigene Analysen deutliche Vorteile eines roehrenfoermigen Konzeptes gegenueber den bisher betrachteten planaren SOFC. Dies fuehrte zu einem eigenen neuen roehrenfoermigen Konzept. Ein Grundgedanke des neuen Konzeptes ist es, dass technologisch eine Parallelschaltung einzelner roehrenfoermiger Zellelemente zu einer Spannungsebene nur moeglich ist, wenn eine elektrisch leitende weiche Bettung aus Nickelfilz oder aehnlichem Material nicht durch die Verbrennungsluft oxidiert werden kann. Deshalb muss die Aussenseite der Zellen mit Brenngas beaufschlagt werden. Zur Kaskadierung werden die einzelnen Spannungsebenen in Stroemungsrichtung des Brenngases seriell verschaltet.(gekuerzt)
Das Projekt "Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC), IWE 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik durchgeführt. Entwicklung und Charakterisierung von Werkstoffen und Verbundstrukturen fuer die SOFC. Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC: solid oxide fuel cell) sind eine zukunftsweisende Technologie fuer eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Energieversorgung. Entscheidend fuer die Wirtschaftlichkeit von SOFC-Systemen sind der Wirkungsgrad der Zellen und die Lebensdauer der Komponenten. Am Institut fuer Werkstoffe der Elektrotechnik existiert seit der Uebernahme der Institutsleitung durch Fr Prof Ivers-Tiffee eine Arbeitsgruppe, die sich mit der Entwicklung und Charakterisierung funktionskeramischer Materialien und Verbundstrukturen (Einzelzellen) fuer die SOFC beschaeftigt. Ziel der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist die Optimierung der Werkstoffe, Herstellungsverfahren und SOFC-Einzelzellen hinsichtlich Leistungsfaehigkeit, interner Verluste und Langzeitstabilitaet. Insbesondere werden neue Materialien fuer abgesenkte Betriebstemperaturen (von ca 1000 Grad Celsius), die einen Einsatz kostenguenstigerer externer Komponenten zulassen, untersucht. Mit der speziellen Hochtemperaturmesstechnik werden SOFC-Einzelzellen unter realistischen Betriebsbedingungen elektrisch charakterisiert und die Ursachen fuer interne Verluste und Degradationsprozesse erfasst. Eine mathematische Modellierung und rechnergestuetzte Simulation der Werkstoff- und Zelleigenschaften erfolgt parallel zu den experimentellen Arbeiten.
Das Projekt "Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik durchgeführt. Langzeitstabilitaet Luftelektrode/Elektrolyt - Fuer den Einsatz der Hochtemperaturbrennstoffzelle mit keramischem Festelektrolyt (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) als wirtschaftliches und umweltfreundliches Energieerzeugungssystem sind die Lebensdauer und der Wirkungsgrad der Anlage von ausschlaggebender Bedeutung. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass im Laufe der geforderten Betriebsdauer von 40000 h der Wirkungsgrad stark abnimmt. Nach konstanter elektrischer Belastung im Langzeitbetrieb (mehr als 1000 h) wird an der Grenzflaeche Luftelektrode/Elektrolyt eine Interdiffusion festgestellt, die mit einer Porenbildung verbunden ist und somit zu einer Delamination der Luftelektrode fuehren wird. Temperaturwechsel fuehren aufgrund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Zellkomponenten zu zusaetzlichen thermomechanischen Belastungen. In diesem Projekt soll der Einfluss von elektrischen und thermomechanischen Belastungen auf die elektrische Degradation der Verbundstruktur Luftelektrode/Elektrolyt gezielt untersucht werden. Eine Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften dieser Verbundstruktur soll durch eine strukturierte, poroese Elektrolytzwischenschicht realisiert werden, die ueber das MOD-Verfahren (Metallo Organic Deposition) mit Elektrodenmaterial infiltriert wird. Eine rechnergestuetzte Modellierung und Simulation soll diese Entwicklung begleiten und optimieren. Umweltrelevanz: Als elektrochemische Energiewandler ermoeglichen Hochtemperatur-Brennstoffzellen eine direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brenngases (zB Erd- und Kohlegas aber auch Wasserstoff) in elektrische Energie. Kraftwerke auf SOFC-Basis zeichnen sich aufgrund ihres deutlich hoeheren elektrischen Nettowirkungsgrades von bis zu 65 Prozent durch niedrigere CO2- und Schadstoffemissionen aus und ermoeglichen eine sowohl umweltfreundliche als auch wirtschaftliche Energieerzeugung.
Das Projekt "Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik durchgeführt. Einstellkinetik des Anionen- und Kationenteilgitters von perowskitkeramischen Funktionswerkstoffen fuer die SOFC - Die Einstellkinetik des Anionen- und Kationenteilgitters von perowskitkeramischen Funktionswerkstoffen der Zusammensetzung La1-u(Sr,Ca)uMO3 (M=Cr,Mn,Fe,Co, Ni), die als Kathodenmaterialien in der Hochtemperaturbrennstoffzelle SOFC eingesetzt werden, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfaehigkeit und Langzeitstabilitaet der Kathode. In dem Teilprojekt werden die unterschiedlichen Diffusionsmechanismen in diesen Metalloxiden mittels spezieller Hochtemperaturmesstechniken untersucht. Eine quantitative Erfassung der Prozessparameter fuer die verschiedenen Werkstoffe ermoeglicht eine auf die Einsatzbedingungen abgestimmte Materialauswahl fuer die Kathode und traegt zu einer Optimierung der SOFC-Einzelzellen bei. Im Rahmen der computerunterstuetzten Material und Technologieentwicklung werden die bei diesen Untersuchungen gewonnenen Daten fuer die Simulation der elektrochemischen Prozesse in der Kathode herangezogen. Umweltrelevanz: Als elektrochemische Energiewandler ermoeglichen Hochtemperatur-Brennstoffzellen eine direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brenngases (zB Erd- und Kohlegas aber auch Wasserstoff) in elektrische Energie. Kraftwerke auf SOFC-Basis zeichnen sich aufgrund ihres deutlich hoeheren elektrischen Nettowirkungsgrades von bis zu 65 Prozent durch niedrigere CO2- und Schadstoffemissionen aus und ermoeglichen eine sowohl umweltfreundliche als auch wirtschaftliche Energieerzeugung.
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