Festoxid-Brennstoffzelle

Tubulare SOFC von Siemens Powergeneration

Die Festoxidbrennstoffzelle (engl. Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die bei einer Betriebstemperatur von 650–1000 °C betrieben wird. Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff (klassisch: yttriumdotiertes Zirkoniumdioxid, YSZ), der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Die Kathode ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff (strontiumdotiertes Lanthanmanganat) gefertigt, der für Ionen und für Elektronen leitfähig ist. Die Anode wird aus Nickel mit yttriumdotierten Zirkonoxid (sogenanntes Cermet) gefertigt, der ebenfalls Ionen und Elektronen leitet.

Bauformen

Im Wesentlichen unterscheidet man aufgrund der Bauform: tubulare (röhrenförmige, s. Abb.) und planare (flache) SOFCs. Aufgrund der tragenden Struktur wird zwischen elektrolytgestützter und anodengestützter SOFC differenziert.

SOFC-Kraftwerke

Kraftwerke, die auf diesen Brennstoffzellen basieren, sollen einen Systemwirkungsgrad von 55–66 % erreichen können. Noch befindet sich die SOFC-Technologie in einem frühen Entwicklungsstadium, aber langfristig soll dieser Zelltyp zur dezentralen Energieversorgung eingesetzt werden. Eine komplette Brennstoffzellenanlage kann aus Erdgas mittels eines Reformers Wasserstoffgas erzeugen, das durch die elektrochemische Reaktion elektrische Energie und Wärme produzieren kann.

Mikro-Blockheizkraftwerke (Mikro-KWK), in denen SOFCs zur kombinierten Strom- und Wärmeproduktion eingesetzt werden, sollen den normalen Heizungsbrenner ersetzen, d.h. sie sollen Wärme erzeugen und zusätzlich Strom liefern. Solche Brennstoffzellen-Heizgeräte werden zur Zeit im Rahmen des Projekts Callux untersucht.

Aktuelle Entwicklungen

In der aktuellen Forschung besteht der Trend, SOFC-Zellen zu entwickeln, deren Betriebstemperatur deutlich unter 800 °C liegt. Diese Entwicklungen werden als IT-SOFCs (Intermediate Temperature-SOFC) bezeichnet.

Hierbei haben amerikanische Wissenschaftler eine Brennstoffzelle entwickelt, die 6,5 cm lang und röhrenförmig ist und 350 mW leistet. Da diese mit Temperaturen von über 500 °C arbeitet, kann auf einen externen Reformer verzichtet werden. Der flüssige Brennstoff wird dabei direkt im System zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert. Möglich wird dies durch den Einsatz von Partikeln aus den als Katalysator fungierenden Metallen Ruthenium und Cer. Jedoch muss die Zelle für den Start mit einer externen Heizung auf Temperaturen von etwa 300 °C gebracht werden.

Als Brennstoff wird in der von den amerikanischen Forschern entwickelten Zelle das Flüssiggas Propan eingesetzt, wie es in vielen mobilen Anwendungen längst üblich ist, beispielsweise in Gasfeuerzeugen oder bei Campingkochern und –lampen. Damit könnte die Zelle mit einem Brennstoff laufen, für den es bereits eine Infrastruktur gibt.

Details des Aufbaus

Die eigentliche Innovation einer SOFC steckt in dem Keramikmaterial. Einige der Randbedingungen sind: Kathode und Anode müssen gasdurchlässig sein und den Strom gut leiten. Die Schichtdicke der sauerstoffleitenden Membran muss möglichst dünn sein, um die Sauerstoffionen energiearm durch die Membran transportieren zu können. Dabei dürfen keine Fehlstellen (Löcher) bestehen, durch die andere Gasmoleküle durchgeleitet werden können. Die hohe Temperatur macht die Entwicklung der Systeme aufwendig.

Reaktionsgleichungen

	Reaktionsgleichungen 1	Reaktionsgleichungen 2	Reaktionsgleichungen 3 techn. nicht realisiert, da Probleme mit der Pyrolyse von CH4 und daraus resultierenden Kohlenstoffablagerungen
Anode	$\mathrm{H_2 + O^{2-} \to H_2O+ 2\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe	$\mathrm{O^{2-} + CO \to CO_2 + 2\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe	$\mathrm{CH_4 + 4\ O^{2-} \to 2\ H_2O + CO_2 + 8 e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{1/2\ O_2 + 2\ e^-\to O^{2-}}$ Reduktion / Elektronenaufnahme	$\mathrm{1/2\ O_2 + 2\ e^-\to O^{2-}}$ Reduktion / Elektronenaufnahme	$\mathrm{2\ O_2 + 8\ e^-\to 4\ O^{2-}}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamt- reaktion	$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion	$\mathrm{2\ CO + O_2 \to 2\ CO_2}$ Redoxreaktion / Zellreaktion	$\mathrm{CH_4 + 2\ O_2 \to 2\ H_2O + CO_2}$ Oxidation / Elektronenabgabe

Der innere Ladungstransport erfolgt mittels O²⁻-Ionen. Auf der Kathodenseite benötigt die SOFC Sauerstoff und produziert an der Anode Wasser und/oder CO₂.

Literatur

• Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3937863044

Einzelnachweise

Weblinks

• Kurze Darstellung der SOFC-Technologie
• Verständliche interaktive Animation von BIGS zu Aufbau, Typen und Anwendung von Brennstoffzellen
• Forschungszentrum Jülich