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Elektrischer Speicher
BMWi
Stationäre Energiespeicher 3.9.2015

Aufbau für laseroptische Strömungsmessungen an einer Testzelle am ZBT
© Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH

Zink-Luft-Akkus fürs Netz

Zink-Luft-Batterien sind bisher meist als kleine Einwegbatterien bekannt, beispielsweise in Hörgeräten. Die elektrochemische Reaktion von Zink mit Luftsauerstoff bietet jedoch ein beträchtliches Potenzial auch wiederaufladbare Speicher mit hoher Energiedichte für große Energiemengen zu bauen. Bisher konnte es technisch nicht umgesetzt werden. Im Projekt ZnPLUS wollen Wissenschaftler mit neuen Konzepten und Komponenten einen wirtschaftlichen Zink-Luft-Energiespeicher im Megawatt-Bereich entwickeln.

Projektstatus Projekt beendet
Projektlaufzeit September 2012 bis August 2015

Für stationäre Anwendungen bieten Zink-Luft-Energiespeicher viele Vorteile. So liegt der spezifische Energieinhalt mit 1.100 Wh/kg deutlich über dem anderer Materiakombinationen wie Nickel-Metallhydrid oder Lithium-Ionen. Zink ist für technische Anwendungen ausreichend verfügbar und die Kosten für die aktiven Materialien sind gering. Diese sind zudem ungiftig und lassen sich vollständig recyceln. Sicherheitstechnische Vorteile: Es besteht beispielsweise keine Brandgefahr. Systeme könnten für ein effizientes und wirtschaftliches Energiemanagement von Chemieanlagen, für dezentrale Stromversorgungseinheiten und die tertiäre Netzregelung eingesetzt werden.

Zink-Luft-Akkumulatoren konkurriert im Bereich der stationären Energiespeicher mit der Blei-Säure- und der Nickel-Cadmium-Batterie, die beide toxische Materialien enthalten. Weiterer Rivalen sind die noch in der Entwicklung befindlichen Redox-Flow-Systeme. Viele der aussichtsreichsten Entwicklungen benötigen Vanadium, ein Material, das seltener vorkommt als Zink.

  • Gaby Sengstock und Fabian Bienen bereiten eine Testzelle für einen Entladungsversuch bei der BMS AG vor. © Bayer MaterialScience AG
  • Gaby Sengstock und Fabian Bienen messen die Spannung bei der Entladung einer Zink-Slurry-Testzelle bei der BMS AG. © Bayer MaterialScience AG
  • Michael Dege stellt bei der Grillo-Werke AG Zn-Slurry her. © Grillo Werke AG
  • Ralf Giese installiert bei der Grillo-Werke AG eine Entlade-, Ladevorrichtung für den Zn-Slurry. © Grillo Werke AG
  • Christian Mull untersucht bei der Grillo-Werke AG die rheologischen Eigenschaften des Zn-Slurry. © Grillo Werke AG
  • Das ZnPLUS-Team der Grillo-Werke AG von links nach rechts: Dr. Armin Melzer, Christian Mull, Oliver Suchard, Michael Dege, Ralf Giese, Achim Hagedorn, Petra Gehrke, Marcus Müller. © Grillo Werke AG
  • Marina Bockelmann und Laurens Reining nehmen die Zink-Luft-Testanlage bei der TU-Clausthal in Betrieb. © TU Clausthal
  • Marina Bockelmann und Laurens Reining nehmen Feineinstellungen an der Zink-Luft-Testanlage vor. © TU Clausthal
  • Christine Minke bei der TU Clausthal bereitet die automatische Probenahme des Elektrolyten vor, um die Elektrolytkonzentration über das Titrationsverfahren zu bestimmen. © TU Clausthal
  • Katrin Harting kalibriert die Potentiostaten für die Impedanzmessungen an Zink-Luft-Zellen bei der TU-Clausthal © TU Clausthal
  • Vinoba Vijayaratnam testet Sauerstoffreduktionskatalysatoren  mit einer rotierenden Scheibenelektrode bei der Universität des Saarlandes © Universität des Saarlandes
  • Bernd Schley bestückt eine achtfach-Elektrochemiezelle zur Testung von Elektrokatalysatoren mit Elektroden bei der Universität des Saarlandes © Universität des Saarlandes
  • Dr. Sebastian Burgmann und Lukas Feierabend vom ZBT diskutieren die Ergebnisse einer Strömungssimulation für eine mögliche Stromabnehmergeometrie © Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH
  • Aufbau für laseroptische Strömungsmessungen an einer Testzelle am ZBT © Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH

Konzepte für große wiederaufladbare Batterien

Zink-Luft-Energiespeichern konnten ihre Vorteile bisher bei sekundären, also in wiederaufladbaren, Systemen noch nicht beweisen. Dies liegt an der bislang ungenügenden Zahl erreichbarer Lade- und Entladezyklen. Ursache ist vor allem die Dendritenbildung an den Elektroden. Im Projekt ZnPLUS sollen aussichtsreiche Konzepte für stationäre, wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien zur elektrochemischen Speicherung von großen Energiemengen wissenschaftlich erforscht werden. Bis Mitte 2015 soll der Auswahl des vielversprechendsten Konzepts getroffen werden, welches in einem Nachfolgeprojekt in den technischen Maßstab übertragen werden soll.

Interdisziplinärer Ansatz

Frühere Einsätze eines Zink-Luft-Energiespeichers sind bisher an verschiedenen kritischen Eigenschaften gescheitert. Hauptsächlich sind dies die Lebensdauer der Sauerstoffelektroden, die Dendritenentwicklung an die Zink-Anode, die Stabilität und Regenerationsfähigkeit der verwendeten Slurries, sowie Zellengeometrie und Lade/Entlade-Strategien. Der ZnPLUS-Ansatz kombiniert interdisziplinäre Kompetenzen und setzt auf eine parallele Entwicklung und Optimierung von Katalysatoren, Zellenkomponenten und der Zellengeometrie, basiert auf rheologische und elektrochemische Berechnungen und Testserien.

Testzellen im Benchmark

Es werden zur Zeit fünf Testzellentypen aufgebaut. Diese werden mit Standard-Komponenten getestet, um die Benchmark-Leistung zu bestätigen. Anschließend sollen die im Projekt entwickelten verbesserten Komponenten, wie Gasdiffusionselektroden, Zn-Slurry und Stromableiter in den entsprechenden Testzellen, eingebaut und verglichen werden. Die Zellengeometrie wird weiterhin auf Basis von Modell- und Simulationsrechnungen verfeinert, um das Leistungsprofil der Zellentypen zu optimieren. Am Ende des Projekts erfolgt die Auswahl des besten Systems, das in einem nachfolgenden Projekt in technischem Maßstab erprobt werden soll.

Eine ausführliche Bewertung der fünf getesteten Zellkonzepte soll belastbare Aussagen zur jeweiligen Zyklenstabilität, Speicherkapazität, und zum Leistungsniveau liefern. Es werden unter anderem die Spannungseffizienz (VE), die Stromeffizienz (CE) und daraus die Energieeffizienz (EE= VE*CE) bewertet. Aus der Bewertung erfolgen konkrete Vorschläge zur Optimierung der Zellenkomponente und eine Empfehlung  zwischen Festelektroden- und Slurry-Zellen sowie 2-Elektroden- und 3-Elektroden-Systemen zur Weiterentwicklung in den großtechnischen Maßstab. Für die geplanten Laboranlagen sollen folgende technische Spezifikationen erreicht werden:

  • Wirkungsgrad 60 % ,
  • maximale Stromdichte beim Entladen 4 kA/m²
  • mindestens 500 Zyklen

Begleitende Wirtschaftsanalyse

Die Wirtschaftlichkeit ist für einen großtechnischen Energiespeicher neben der Effizienz und Zuverlässigkeit ein zentrales Kriterium. Daher werden bei der projektbegleitenden Wirtschaftlichkeitsanalyse die verschiedenen Konzepte bzgl. Investitions- und Betriebskosten für einen großtechnischen Speicher im MWh-Bereich ermittelt und sowohl untereinander als auch mit anderen konkurrierenden Speichertechnologien verglichen (Benchmark).

Teilvorhaben

Technologie-, Markt- und Wirtschaftlichkeitsanalysen

Convestro (ehemals Bayer MaterialScience AG) koordiniert das Projekt und bewertet gemeinsam mit den industriellen Partnern Grillo und ThyssenKrupp Uhde die verschiedenen Konzepte nicht nur technologisch, sondern auch wirtschaftlich. BMS bietet darüber hinaus die eigene Sauerstoffverzehrkathode (SVK) als Basis für die weitere Entwicklung der Sauerstoffelektroden. Zusätzlich unterstützt BMS die Katalysatorentwicklung für die Sauerstoffreduktions-  bzw. Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der Universität des Saarlandes (UdS). Die neuen Katalysatoren werden in Elektroden nach bestehenden SVK Fertigungsverfahren eingearbeitet und in Zellen-Lade- und -Entladeversuchen getestet.
Die ökonomischen Kennzahlen zur Wettbewerbsfähigkeit eines Zn-Luft Energiespeichers wurden definiert. Der im Rahmen des Projektes erreichte Design benötigt eine erhebliche Kostenoptimierung um wettbewerbsfähig zu werdent. Es wurde eine Technologielandkarte bezüglich Investitionskosten für Energiespeichersysteme aufgestellt. Es gibt weiterhin keine Speichersysteme, die ohne staatliche Förderung, bzw. ohne neue Regulierung des Strommarktes wirtschaftlich betrieben werden können. 

Die gesetzlichen Rahmenbedingungen zur Förderung der Energiespeicherung bleiben entscheidend. Immer mehr Länder weltweit erlassen neue Gesetze zum Aufbau von Speicherkapazitäten. In Deutschland wurde allerdings die Wertigkeit von Energiespeichern während der Projektlaufzeit weiterhin sehr kontrovers diskutiert. Energiespeicher werden von vielen Seiten als die teuerste Flexibilitätsoption zur Netzstabilisierung gesehen und sollen erst nach 2030 für den deutschen Strommarkt eine wichtige Rolle spielen. Es gibt allerdings schon Regionen in Deutschland wo der Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen größer als 80% ist. Hier werden schon Demonstratoren im Multi-MW-Maßstab getestet. Die Marktbewertung unterschiedlicher Energiespeichersysteme ist sehr dynamisch und abwechselnd. Die Positionierung von Energiespeichern im Vergleich zu anderen Flexibilitätsoptionen wie Netzausbau, Demand-Side-Management, Smart-Grids, u. ä. kann nur von Fall zu Fall bewertet werden.

Feste Zink Elektroden

Die Grillo-Werke AG entwickelt und charakterisiert in diesem Projekt die Zinkanode. Dabei werden verschiedene Legierungen, Korngrößenverteilungen und Kornformen auf die Wiederaufladbarkeit hin untersucht. Grillo wird geeignete Legierungen entwickeln, die bei der Wiederaufladung das Problem des Dendritenwachstums minimieren, um somit die Selbstentladung durch Mikrokurzschlüsse zwischen Anode und Kathode zu verhindern. Für die Slurry-Zellen modifiziert Grillo geeignete Zinkpulver für eine optimale Zink-Slurry-Formulierung und untersucht das rheologische Verhalten der Zink-Slurry in Abhängigkeit von definierten Parametern. Ferner wird Grillo Konzepte erarbeiten mit dem Ziel, das Zink zu recyceln und dem Zink-Slurry wieder zuzuführen.
Die Grillo-Werke AG hat in diesem Projekt Batteriezinkpulver mit definierten Partikeldurchmessern entwickelt und zu porösen Zink-Elektroden verpresst.  Zum Verpressen des Zinkpulvers wurden Versuche mit verschiedenen Pressparametern durchgeführt. Ziel war es, die höchstmögliche Porosität bei ausreichender Festigkeit zu gewährleisten. Zusätzlich zu den porösen Zink-Elektroden sind auch feste Zinkplatten produziert worden. Die Elektroden wurden in dem von den Projektpartnern gewünschten Zelldesign hergestellt und anschließend für diverse elektrochemische Untersuchungen  bereitgestellt. Zur Untersuchung der Dendritenbildung wurden Zinkpulver mit unterschiedlichen Legierungskombinationen hergestellt und entladen und anschließend qualitativ und optisch analysiert.

Nachdem bei Grillo ein Herstellverfahren entwickelt wurde, welches es ermöglichte, alle Ingredienzien homogen zu verarbeiten, wurde sich auf die Entwicklung der Slurry-Rezeptur  konzentriert. Zur Optimierung der Zink-Slurry-Formulierung wurden Zinkpulver in verschiedenen Korngrößenverteilungen hergestellt, verschiedene Geliermittel erprobt und die Konzentrationen der Slurry-Komponenten variiert. Die ermittelten rheologischen Eigenschaften und Sedimentationszeiten bildeten die Grundlage für die Auswahl von Inputparametern zur Durchführung eines Versuchsplans. Dieser Versuchsplan (Design of Experiment) wurde durch die Hochschule Niederrhein  erstellt.  Daraufhin wurden bei  Grillo 120 Slurry-Formulierungen hergestellt und ausgewertet. Abschließend wurden die statistisch errechneten Rezepturen durch Herstellung von 5 optimierten Slurries verifiziert.

Für den Einsatz als Energiespeicher muss ein elektrochemisches System in erster Linie drei Anforderungen erfüllen: hohe Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit. Um die Leistungsfähigkeit der Zink-Luft-Zelle mit festen Zink-Elektroden zu erhöhen, wurden Metallschäume als Träger für die Zink-Abscheidung eingesetzt. Die Schäume ermöglichen eine deutliche Vergrößerung der spezifischen Elektrodenfläche, sodass Stromdichten von bis zu 14 kA/m² und Leistungsdichten von bis zu 4 kW/m² erreicht werden können.
Für die Erhöhung der Lebensdauer des Zink-Luft-Systems ist die Vermeidung der Passivierungserscheinungen auf der Anode notwendig. Es wurden umfangreichende Untersuchungen an Zink-Elektroden durchgeführt, die zum Verständnis der Passivschichtbildung und ihres Einflusses auf die Elektrodenreaktionen beitragen. Auf dieser Grundlage können die optimalen Betriebsbedingungen des Speichers ermittelt werden, die eine Vermeidung der Passivierung ermöglichen.
Zur Unterstützung der praktischen Entwicklung des Zink-Luft-Speichers wurde ein stationäres physikalisch-chemisches Modell des Systems entwickelt. Dieses Modell ermöglicht das Aufklären grundlegender Mechanismen und wird bei der Optimierung des Zelldesigns und der Auswahl der Betriebsbedingungen eingesetzt.

Zink-Slurry und Stromableiter

Das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT ist für Strömungssimulationen und Strömungsmessungen bei den Durchflusszellen sowie die Entwicklung einer segmentierten Testzelle zur ortsaufgelösten Strom-Spannungsmessung verantwortlich. Die erzeugten Modelle und Messdaten dienen der Bewertung und Optimierung sowohl der einzusetzenden Stromableiter auf der Anode als auch der Eigenschaften des verwendeten Zink-Slurries, wie z. B. der Viskosität und der Partikelbeladung.
Am ZBT wurde das komplexe Fließverhalten des Zink-Slurries in den Anoden-Geometrien numerisch und analytisch untersucht um den Zusammenhang zwischen Zellleistung und Strömungsbedingungen aufzuklären und somit optimierte Parameter für die Slurry-Zusammensetzung, Strömungsgeometrien und Betriebsbedingungen zu finden.
Für makroskopische Untersuchungen der Strömung wurde die Suspension als homogenes, nicht-Newton´sches Fluid modelliert. Die Rheologie-Daten der scherratenabhängigen Viskosität verschiedener Slurry-Zusammensetzungen wurden von der Grillo-Werke AG zur Verfügung gestellt.  Mittels dreidimensionaler CFD-Simulationen konnten die Gleichverteilung des Slurrys auf der aktiven Zellfläche und die Druckverluste bestimmt werden.
Die Bewegung der einzelnen Zinkpartikel im Elektrolyten sowie deren Kollision untereinander und mit der Stromabnehmergeometrie wurde mit einer Kopplung aus CFD und der Discrete Element Method (DEM) modelliert. Durch die direkte und indirekte (Kontaktbrücken mehrerer Partikel) Kontaktierung der Zinkpartikel mit dem Stromabnehmer kann ein Rückschluss auf die effektive Elektrodenfläche gezogen werden. Es wurden verschiedene Zell-Geometrien, Slurry-Zusammensetzungen (Partikelbeladung, Partikelgröße, rheologische Eigenschaften des Elektrolyts) und Strömungsbedingungen im Hinblick auf die Maximierung der effektiven Elektrodenfläche der bewegten Zinkanode untersucht, um leistungsfähige Zink-Slurry-Anoden zu entwickeln.

Mittels (laser-)optischer Messmethoden (PIV) wurden die Geschwindigkeitsfelder der Zink-Elektrolyt-Suspension in Mikrokanälen und optisch zugänglichen Laborzellen bestimmt. Hiermit kann einerseits direkt die Strömungsverteilung beim Betrieb der Laborzelle untersucht werden, andererseits dienen die Geschwindigkeitsfelder in den Mikrokanälen als Referenzdaten für die numerischen Simulationen.
In enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Energietechnik der Universität Duisburg-Essen wurde eine segmentierte Zelle entwickelt, mit der sich Stromdichteverteilungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen untersuchen lassen.
Der Lehrstuhl Energietechnik (LET) der Universität Duisburg-Essen (UDE) bringt seine langjährigen Erfahrungen durch Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiewandler und der Batterietechnik in das Projekt ein. Die umfangreiche apparative Ausstattung im Bereich der Batterieteststände und der elektrochemischen Messmethoden, sowie die lehrstuhleigene Werkstatt ermöglichen die Arbeit in gleich mehreren Arbeitspaketen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Entwicklung und Optimierung der Zn-Slurry-Zellen und der Stromabnehmer. Die anwendungstechnischen Prüfungen der Festelektroden- und Zn-Slurry-Konzepte, aber auch Langzeitversuche zur Sicherung der Zyklenfestigkeit runden die Aufgaben des Lehrstuhls Energietechnik ab.

Teilvorhaben d: Der Lehrstuhl Energietechnik (LET) der Universität Duisburg-Essen brachte seine langjährigen Erfahrungen durch Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiewandler und der Batterietechnik in das Projekt ein. Die umfangreiche apparative Ausstattung im Bereich der Batterieteststände und der elektrochemischen Messmethoden, sowie die lehrstuhleigene Werkstatt ermöglichten die Arbeit in gleich mehreren Arbeitspaketen.
Das Hauptaugenmerkt lag dabei auf der Entwicklung und Optimierung der Zn-Slurry-Zellen, der
Stromabnehmer und des Zink-Slurries.
Es konnte ein modulares Zell-System entwickelt und konstruiert werden, mit dem die unterschiedlichen Betriebskonzepte einer Zink-Luft-Batterie wie separate Entladezelle, separate Ladezelle und Betrieb in einer Dreielektrodenanordnung mit austauschbaren Komponenten charakterisiert werden konnten. Außerdem wurde eine Zn-Slurry Halbzelle mit 25 Einzelsegmenten entworfen und Stromdichteverteilungen mit verschiedenen Betriebsparametern untersucht.
Durch ein umfangreiches Screening der Materialien für den Entlade- und Ladestromableiter wurden Werkstoffe ermittelt, die im Entladebetrieb eine hohe Leistungsfähigkeit und im Ladebetrieb geringe Überspannungen und Zinkaufwachsungen aufweisen.
Die Zink-Slurry-Elektrode wurde in unterschiedlichen Zusammensetzungen durch eine neu konstruierte Messzelle hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit untersucht, und eine starke Korrelation der Leitfähigkeit des Slurries mit der Leistungsfähigkeit der Batterie festgestellt. Die anwendungstechnische Prüfung der Zn-Slurry-Konzepte, aber auch Langzeitversuche zur Sicherung der Zyklenfestigkeit runden die Aufgaben des Lehrstuhls Energietechnik ab.

Die am Institut für Modellbildung und Hochleistungsrechnen (IMH) der Hochschule Niederrhein (HSNR) zur Verfügung stehende mathematische Methoden- und Software-Kompetenz auf dem Gebiet der statistischen Versuchsplanung und –auswertung wurde eingesetzt, um einen auf einem stochastischen Design of Experiment (DoE) basierenden Versuchsplan für 120 Zn-Slurry Experimente zu erstellen. Jedes Experiment umfasste dabei Untersuchungen zu den rheologischen Eigenschaften wie Viskosität oder Fließgrenze und Leitfähigkeitsmessungen. Die verschiedenen Zn-Slurry zeichneten sich durch variierende Zusammensetzungen, unterschiedliche Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten aus. Auf Basis dieser globalen varianzbasierten Sensitivitätsanalyse konnten allgemeine nichtlineare Parameterzusammenhänge für die performance-relevanten Kenngrößen wie z.B. Viskosität und elektrischer Widerstand des Zn-Slurry erkannt und signifikante Einflussfaktoren identifiziert werden. Für die einzelnen Auswertegrößen wurden sogenannte Metamodelle optimaler Prognose erstellt, auf deren Basis eine Optimierung des Zn-Slurry mit dem Ziel einer Minimierung des Widerstandes erfolgte. Hierbei wurden Restriktionen hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften des Zn-Slurry wie z.B. Vorgaben zur Fließgrenze oder zur Viskosität berücksichtigt. Die sich aus der Optimierung ergebenden Zn-Slurry-Designs mit prognostizierten Eigenschaften wurden anschließend durch reale Experimente überprüft.

Zellendesign und Zellenprüfung

Das Institut für Chemische Verfahrenstechnik der TU-Clausthal (TUC)  konzentriert sich im Bereich der Zelltechnologien auf die feste Zinkelektrode und die Drei-Elektroden-Anordnung mit getrennten Elektroden für das Laden und Entladen der Batterie. In entsprechenden Versuchen wird die Leistungsfähigkeit der Batterie in Abhängigkeit von Temperatur, Sauerstoffkonzentration und Elektrolytkonzentration sowie der Wirkungsgrad bei Lade-Entlade-Zyklen bestimmt. Auf der Grundlage der Messergebnisse soll in Zusammenarbeit mit der Hochschule Niederrhein ein mathematisches Modell für die Elektroden und die gesamte Zelle entwickelt werden, mit dem die Batterie optimiert und Berechnungen zur Maßstabsvergrößerung durchgeführt werden sollen.
Für den Einsatz als Energiespeicher muss ein elektrochemisches System in erster Linie drei Anforderungen erfüllen: hohe Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit. Um die Leistungsfähigkeit der Zink-Luft-Zelle mit festen Zink-Elektroden zu erhöhen, wurden Metallschäume als Träger für die Zink-Abscheidung eingesetzt. Die Schäume ermöglichen eine deutliche Vergrößerung der spezifischen Elektrodenfläche, sodass Stromdichten von bis zu 4 kA/m² und Leistungsdichten von bis zu 4 kW/m² erreicht werden können.
Für die Erhöhung der Lebensdauer des Zink-Luft-Systems ist die Vermeidung der Passivierungserscheinungen auf der Anode notwendig. Es wurden umfangreichende Untersuchungen an Zink-Elektroden durchgeführt, die zum Verständnis der Passivschichtbildung und ihres Einflusses auf die Elektrodenreaktionen beitragen. Auf dieser Grundlage können die optimalen Betriebsbedingungen des Speichers ermittelt werden, die eine Vermeidung der Passivierung ermöglichen.
Zur Unterstützung der praktischen Entwicklung des Zink-Luft-Speichers wurde ein stationäres physikalisch-chemisches Modell des Systems entwickelt. Dieses Modell ermöglicht das Aufklären grundlegender Mechanismen und wird bei der Optimierung des Zelldesigns und der Auswahl der Betriebsbedingungen eingesetzt.

Entwicklung von Katalysatoren

Die Universität des Saarlandes (UdS) entwickelte sowohl Katalysatoren für die Sauerstoffverzehr- (SVK) als auch für die Sauerstoffentwicklungselektrode (SEE). Im Fokus der Forschungen standen hierbei für die SVK perowskitische und spinellartige Systeme während für die SEE oxidische Materialien entwickelt wurden. Die Herstellung der Katalysatoren erfolgt mittels Sol-Gel Techniken (SVK) und elektrochemischer Depositionsverfahren (SEE). Die hergestellten Katalysatoren werden an der UdS strukturell, chemisch und elektrochemisch charakterisiert. Weiterhin wurden kleine Modellelektroden hergestellt und auf ihre katalytische Aktivität getestet. Katalysatoren mit verbesserter Aktivität wurden anschließend den Partnern BMS, TUC und UDE zur Herstellung und Testung von Gasdiffusionselektroden zu Verfügung gestellt.

Modellentwicklung und Simulation

Die versuchstechnischen Untersuchungen und die Charakterisierung der Einzelkomponenten sollen mit möglichst wenigen Versuchen für alle performance-relevanten Kenngrößen die signifikanten Einflussfaktoren identifizieren. Die allgemeinen nichtlinearen, multivariaten Zusammenhänge sollen erkannt und die statistische Verteilung der gemessenen Einflussfaktoren und Kenngrößen ermittelt werden. Dazu entwickeln Forscher der Hochschule Niederrhein existierende Ansätze elektrothermischer und -chemischer Modelle für die numerische Simulation auf Systemebene weiter. In einem Schritt wollen sie die Prognosefähigkeit und Effizienz verbessern. Anschließend soll mit Hilfe effizienter Methoden der multidisziplinären Optimierung und Sensitivitätsanalyse der elektrochemische Effizienzgrad der Zelle maximiert werden. Darauffolgende numerische Optimierungsschritte fokussieren auf die Verbesserung der Systemeigenschaften, wie z.B. des Stromableiters, der Katalysatoren, Zn-Pulver, Zn-Slurry-Zellen.

In Zusammenarbeit mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) wurden an der HSNR Strömungssimulationen zur Zellenoptimierung durchgeführt. Die Untersuchungen fokussierten auf die Optimierung der Kanalgeometrie für die Entladung des Zn-Slurry. Ausgehend von einem voroptimierten Kanaldesign wurde ein robustes parametrisches Geometriemodell aufgebaut, das die Variation von 80 geometrischen Parametern erlaubte. Auf Basis eines stochastischen Design of Experiment (DoE) erfolgten 120 numerische Strömungssimulationen. Trotz der im Vergleich zu den durchgeführten Simulationen hohen Anzahl von variierenden Parametern konnten durch sogenannte Metamodelle optimaler Prognose allgemeine nichtlineare Parameterzusammenhänge sowie die signifikanten Einflüsse für die performance-relevanten Kenngrößen wie Druckverlust oder Querströmung ermittelt und eine optimale Kanalgeometrie vorgeschlagen werden.
Für die Simulation der elektrochemischen Vorgänge an einer festen Zinkelektrode wurde an der HSNR ein numerisches Berechnungsmodell entwickelt. Dieses Modell ermöglicht, die Entlade- und Ladevorgänge für eine poröse Zinkelektrode mit ruhendem, in der gesamten Elektrode verteiltem Elektrolyt zu simulieren. Mit dem numerischen Berechnungsmodell wurden globale varianzbasierte Sensitivitätsanalysen durchgeführt, bei denen insgesamt 16 Eingangsparameter wie initiale Konzentrationen oder Diffusionskoeffizienten variiert wurden. Durch sogenannte Metamodelle optimaler Prognose konnten die Parameterzusammenhänge und die signifikanten Einflussfaktoren für die Varianz der Polarisationskurve ermittelt werden.