Messmethoden zur Untersuchung der Kohlenstoffablagerung an nickelhaltigen SOFC-Anoden beim Betrieb mit Methan

In dieser Arbeit sind vier Typen von Brennstoffzellen hinsichtlich ihres Verhaltens unter kohlenstoffbildenden Bedingungen getestet worden: eine übliche elektrolytgestützte Zelle EY850, eine übliche anodengestützte Zelle AY600 und zwei neuartige elektrolytgestützte Zellen EY850 und ESc850. Die Einzelheiten des Zellaufbaus sind in den Tabellen 5.1 und 5.2 zu finden. Die Zellen EY850, AY600 und ESc850 wurden in einem Teststand getestet, der eine Abdichtung des Kathoden- und Anodenraums ermöglicht. Im Gegensatz dazu kann EY850 nur ungedichtet untersucht werden. Zur Detektion der Kohlenstoffbildung standen fünf verschiedene Methoden zur Auswahl: Messungen bei konstanter Last, Strom-Spannung-Kennlinien, Impedanzspektroskopie, gaschromatographische Messungen und Elektronenmikroskopie. Bei den untersuchten gedichteten Zellen führt in dem Zeitrahmen der Messungen aus- schließlich der Betrieb bei Leerlauf zu einer erheblichen Degradation. Dies ist in Einklang mit den in der Literatur zu findenden Aussagen, die die Leerlaufbedingungen als besonders gefährlich einstufen. Zelle EY850 verlor 22 % ihrer maximalen Leistung nach einem dreistündigen Betrieb mit einer Methan-Wasserstoff-Mischung bei Leerlauf, Zelle AY600 4 % nach etwa 10 Stunden. Auch die ungedichtete Zelle EY850 zeigte bei Leerlauf eine beschleunigte Degradation. Die Effekte der Degradation sind innerhalb kürzester Zeit irreversibel. Der Betrieb mit bei Raumtemperatur befeuchtetem Wasserstoff ermöglicht über Nacht eine vollkommene Entfernung des abgelagerten Kohlenstoffs. Verantwortlich für die Vergasung des Kohlenstoffs ist aber bei den untersuchten Temperaturen wahrscheinlich eher der Wasserdampf, wenn auch nur in geringen Mengen vorhanden, als der Wasserstoff. Die anodengestützte Zelle AY600 ist offensichtlich widerstandsfähiger gegenüber Koh- lenstoffablagerung als die elektrolytgestützte Zelle EY850. Trotz einer hohen Menge an Nickel in der Anode ist das Ausmaß der Ablagerung weniger gravierend als bei Zelle EY850. Trotzdem kann diese Zelle nicht als ideale Lösung für den Betrieb mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen betrachtet werden: Die Kohlenstoffablagerung hält sich zwar in Grenzen, aber die Reformierungsaktivität ist auch sehr beschränkt. Die geringe Betriebstemperatur der Zelle unterbindet maßgeblich die Reformierung von Methan und dadurch auch die Ablagerung von Kohlenstoff, da beide Reaktionen bei nickelhaltigen Anoden anfangs über die gleichen Prozessschritte ablaufen. Das wesentliche Ziel dieser Arbeit war, eine zuverlässige Methode für die frühzeitige Erkennung der Kohlenstoffablagerung zu finden. In einer Tabelle werden die Vor- und Nachteile aller untersuchten Methoden zusammengefasst.