Verbundvorhaben ElChFest: Elektro-chemo-mechanische Modellierung von Ceroxid-basierten Festoxidelektrolysezellen, Elektrochemische Charakterisierung, Modellierung und Simulation

Das Gesamtziel des Projekts „ElChFest“ ist die modellgestützte Optimierung ceroxid-basierter Elektrolysezellen. Das dotierte Ceroxid zeigt eine elektro-chemo-mechanische Aktivität, die bei niedrigem elektrochemischem Potential des Sauerstoffs zu einer Ausdehnung des Kristallgitters (chemische Dehnung) führt, was offenbar lokale Spannungen und die Bildung von Mikrorissen im Gefüge verursacht. „ElChFest“ adressiert das Problem der elektro-chemo-mechanischen Aktivität durch einen interdisziplinären Ansatz, durch den das mechanische Versagen der Zelle verhindert und die hohe Leistung der Zelle nutzbar gemacht werden soll. Über eine dreidimensionale elektro-chemo-mechanische Modellierung sollen die Zusammenhänge zwischen chemischer Dehnung des Gd-dotierten Ceroxids (GDC) im Schichtverbund der Zelle, den Betriebsparametern und einer resultierenden Rissbildung im Elektrolyten vorhersagbar werden. Über Simulationen werden optimale Designparameter für die Zelle wie auch sichere Betriebsfelder ermittelt und somit eine wissensbasierte Optimierung der Zelle ermöglicht. Die optimierte Zelle mit Ni-GDC Brenngaselektrode und GDC Elektrolyt wird die nächste Generation der kathodengestützten SOEC begründen.

Der Fokus am KIT, IAM-ET liegt im Bereich der elektrochemischen Charakterisierung und Modellierung von bei dem Partner FZ Jülich entwickelten Zellen. In der Modellierung kommen homogenisierte (Ersatzschaltbild-) Modelle zur Analyse der Impedanzspektren als auch räumlich aufgelöste 3D-Modelle zur Simulation der Verteilung des chemischen Sauerstoffpotentials in der GDC-Phase zum Einsatz. Die räumlich aufgelösten Modelle greifen auf 3D-Mikrostrukturrekonstruktionen (FZ Jülich) zurück und liefern die chemischen Daten für die Modellierung der chemomechanischen Spannungszustände am KIT-IDM. Auf Basis elektrochemischer (IAM-ET) und mechanischer (KIT-IDM) Simulationen werden am FZ Jülich die Zellen optimiert.