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Brennstoffzellen Weltrekord – Brennstoffzelle läuft seit 10 Jahren

| Autor: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Geschafft! Seit nunmehr 10 Jahren liefert eine von Jülicher Wissenschaftlern entwickelte Hochtemperatur-Brennstoffzelle in einem Langzeitversuch Strom.

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Weltrekord: Dieser Brennstoffzellen-Stack am Forschungszentrum Jülich läuft seit 10 Jahren. Im Bild: Quignping Fang.
Weltrekord: Dieser Brennstoffzellen-Stack am Forschungszentrum Jülich läuft seit 10 Jahren. Im Bild: Quignping Fang.
(Bild: Forschungszentrum Juelich)

Keine andere Brennstoffzelle mit keramischen Zellen lief bisher so lange, und die Jülicher Zelle läuft und läuft und läuft. Eine geringe Lebensdauer galt lange Zeit als Makel dieses Brennstoffzellentyps – doch der Jülicher Dauerbrenner beweist das Gegenteil. Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen dieses Typs erzielen herausragende Wirkungsgrade und gelten als besonders wartungsarm. Damit sind sie insbesondere für Anwendungen zur stationären Energieversorgung geeignet, beispielsweise für Anlagen in Haushalten und kleinen Betrieben, aber auch für Großfahrzeuge wie Lkws, Züge und Schiffe.

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Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) arbeiten bei Temperaturen von 600 bis 1000 °C und liefern höchste elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60%, wobei sich die entstehende Abwärme noch zusätzlich nutzen lässt. Sie eignen sich zur Stromversorgung von Schiffen und Fahrzeugen sowie für die Energieversorgung von Haushalten und kleineren Unternehmen durch Kraft-Wärme-Kopplung. Die Bildergalerie zeigt Stationen der Herstellung der SOFC am Institut für Energie- und Klimaforschung sowie dem Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA).

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Festoxid-Brennstoffzellen – SOFC

Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) mit keramischen Zellen sind eine der Hochtemperatur-Varianten der Brennstoffzelle. Sie werden bei 600 bis 1000 Grad Celsius betrieben und liefern dabei höchste elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60%. Sie sind einsetzbar in der Hausenergieversorgung, der industriellen Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW), zur Stromerzeugung in Kraftwerken und zur Stromerzeugung an Bord von Fahrzeugen. Sie können mit Wasserstoff, aber auch mit Methan (also Erdgas) oder Diesel-Reformat betrieben werden.

Oxidkeramische SOFC

Das Forschungszentrum Jülich entwickelt seit Anfang der 1990er Jahre die oxidkeramische SOFC, vornehmlich für die stationäre dezentrale Energieversorgung im Größenbereich 5 bis 100 kW – das heißt für die Hausenergieversorgung (1 bis 10 kW) sowie für die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (>10 kW). Das Forschungszentrum Jülich konzentriert sich auf das sogenannte anodengestützte planare Konzept. Die Jülicher Forschung und Entwicklung umfasst die komplette Entwicklungskette von der Materialsynthese, der Werkstoffentwicklung für die Zelle, über die Herstellung von Schichten, Strukturen, Bauteilen und Komponenten und deren Charakterisierung anhand von Einzelzell- und Stacktests bis zum Systembetrieb und der Systemmodellierung sowie der Entwicklung von Peripherieaggregaten. Fünf Institute des Forschungszentrums sind an der SOFC-Entwicklung beteiligt.

Institute und ihre Schwerpunkte in der SOFC-Entwicklung

Darüber hinaus entwickelt Jülich zusammen mit deutschen, europäischen und außereuropäischen Forschungs- und Industriepartnern SOFC für die Bordstromerzeugung in Kraftfahrzeugen und Schiffen. Dabei verfolgen die Wissenschaftler neben dem Einsatz des klassischen anodengestützten Konzepts auch ein Zellkonzept basierend auf metallischen Trägern, welche anschließend mittels Keramiktechnologie und physikalischen Gasphasenabscheideprozessen beschichtet werden und so nach und nach Diffusionsbarrieren, Elektroden und Elektrolyt aufgetragen werden.

SOFC als Hochtemperatur-Metall-Luft-Batterie

Ferner wird erprobt, ob die „klassische“ SOFC auch als Hochtemperatur-Elektrolyse zur Erzeugung von entweder Wasserstoff als Brennstoff oder zur Erzeugung von Wasserstoff als Grundstoff für die weitere Verarbeitung zu beispielsweise Methan verwendet werden kann (auch „Power-to-Fuel“ oder „Power-to-Liquid“ genannt). In einer weiteren Ausführung wird die SOFC als Hochtemperatur-Metall-Luft-Batterie entwickelt. Hierbei fungiert die SOFC einerseits als Elektrolysezelle, nämlich in Zeiten von Elektrizitätsüberschuss; bei höherem Elektrizitätsbedarf fungiert sie andererseits als Brennstoffzelle. Der „Strom“ wird hierbei in Form von Sauerstoff gespeichert. Dieser wird genutzt, um ein Metall zu reduzieren – das heißt im Elektrolysemodus die Batterie zu laden – oder zu oxidieren, das heißt im Brennstoffzellenmodus die Batterie zu entladen.

Stack aus überwiegend selbst entwickelten Komponenten

Der Rekord-Zellstapel des Forschungszentrums Jülich ging am 6. August 2007 in Betrieb. Der Brennstoffzellen-Stack besteht überwiegend aus Komponenten, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich selbst entwickelt haben.

Über 20 Jahre Forschung an der Festoxid-Brennstoffzelle

Seit über 20 Jahren forschen sie an der SOFC, so die Abkürzung für „Solid Oxide Fuel Cell“, zu Deutsch „Festoxid-Brennstoffzelle“, und haben in diesem Zeitraum 95 Patente erhalten. Zu den selbst entwickelten Komponenten zählen etwa die keramischen Zellen, die Kontaktschichten und eine spezielle Glaskeramik, die wegen der hohen Temperaturen zur Abdichtung zum Einsatz kommt. Das Material für die Zwischenplatten, mit denen sich die Zellen zu einem Stapel, dem sogenannten Stack, zusammensetzen lassen, stammt von der österreichischen Firma Plansee SE in Reutte.

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Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Alle Arten von Brennstoffzellen benötigen einen Brennstoff, der mit Sauerstoff reagiert und dabei die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie freisetzt. Diese Energiefreisetzung geschieht allerdings nicht in Form von Wärme sondern als elektrische Energie. Die dabei frei werdenden Elektronen werden durch einen externen Stromkreislauf zum Verbraucher übertragen und stellen somit elektrische Energie zur Verfügung.

Verglichen mit herkömmlichen Kraftwerken, in denen die Wärme der Kraftstoffverbrennung durch mechanische Mittel (Generatoren) in Elektrizität umgewandelt wird, wird in Brennstoffzellen, durch den Wegfall dieser Umwandlung, ein großer Teil der dabei entstehenden Energieverluste vermieden.

Obwohl die Brennstoffzelle im Prinzip einfach aufgebaut ist, ist es eine Herausforderung, Materialien mit den richtigen Eigenschaften zu finden, die im Stande sind, Brennstoff und Sauerstoff in nützliche Elektrizität umzuwandeln. Sind die richtigen Materialien gefunden, besteht die nächste Schwierigkeit darin, sie in die erforderliche Form zu bringen, oder sicherzustellen, dass die gebauten Geräte robust sind und über eine hohe Lebensdauer verfügen.

Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle zeigt das folgende Bild:

Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle
Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle
( Bild: Forschungszentrum Jülich )

Auf der Anodenseite strömt der Brennstoff, auf der Kathodenseite Luft. Der Sauerstoff der Luft wird ionisiert und kann dann durch die Membran („Elektrolyt“) hindurch treten. Bei dem Festoxid-Elektrolyten (Solid Oxide Electrolyte) ist dies erst bei Temperaturen ab 600 Grad Celsius möglich. Mit Wasserstoff als Brennstoff verbindet sich der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser: eine effiziente Umwandlung ohne Verbrennung und schädliche Abgase. Mit Methan oder methanhaltigen Brennstoffen, wie Erd-, Bio- oder Grubengas, wird Kohlendioxid abgegeben, allerdings erheblich weniger als bei der konventionellen Stromerzeugung.

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Redakteur, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.