SOFConvert – Aufbau von MEA -Charakterisierungsmethoden zur Optimierung und Kostenreduktion von keramischen Zellen (MEAS )

Ziel des Projektes war die Leistungsfähigkeit der bei Kerafol gefertigten Zellen durch Weiterentwicklung zu steigern und damit Kosten zu reduzieren. Zudem wurde Kerafol Personal bei der Siemens AG an MEA-Messständen ausgebildet, um eigenständig Messungen durchzuführen. Zwei Teststände wurden umfangreich modernisiert und am Ende des Projektes zu Kerafol in ein neu installiertes Wasserstofflabor inklusive zugehöriger Infrastruktur transferiert. Damit ist Kerafol in der Lage, die Qualität der hergestellten Zellen sicherzustellen und kontinuierlich weiterzuentwickeln.

Ein Benchmark-Test zeigte das deutliche Verbesserungspotential der Ausgangszellen mit fast 70 % höheren Widerständen gegenüber Konkurrenzzellen. Für die Weiterentwicklung der Elektroden wurden bestehende Pastenrezepturen und deren Aufbereitung optimiert. Bei bestehender uLSM-Kathode wurde auf diese Weise der Polarisationswiderstand deutlich verringert. Zudem wurde der Einsatz neuer Materialien getestet und teilweise bei der Zellherstellung etabliert. So wurden Kathoden mit LSCF entwickelt, deren stark abgesenkter Widerstand zu guten Zellleistungen führt. Mit selbst synthetisierten LSXM-Kathodenpulvern eines zusätzlichen B-Platz-Elementes wurden durch eine geringere Sinteraktivität homogenere und feinere Mikrostrukturen bei hohen Brenntemperaturen erreicht. Dadurch wird der Polarisationswiderstand der Zellen trotz hoher Brenntemperatur abgesenkt. Dennoch aktivierte die LSXM-Kathode weniger stark als die uLSM-Kathode, sodass der Zellwiderstand nicht deutlich gesenkt wurde. Anodenseitig wurde die Haftschicht durch angepasste Feststoffgehalte und Pastenrheologie dünner und dichter gestaltet. Der Einsatz neuer Anodenmaterialien führte über eine verbesserte Mikrostruktur zu einer deutlich gesteigerten Anodenperformance, abgesenkten Polarisationswiderständen und einer größeren Alterungsbeständigkeit.

Mit Zellen der optimierten Anode und LSCF-Kathode wurde ein Gesamtwiderstand von rund 250 m?cm² erzielt. Ein stabiler Langzeittest von über 2.500 h und eine geringe Degradation von weniger als 0,5 % je Thermo- bzw. Redoxzyklus konnten nachgewiesen werden. Mit den optimierten LSM- bzw. LSCF-Kathoden sowie den Ni-YSZ- bzw. Ni-GDC-Anoden bietet Kerafol drei verschiedene Elektrodenvariationen für Hochleistungs–ESCs an, die auf verschiedene Elektrolytmaterialien appliziert werden können und konkurrenzfähig sind.