Festoxidbrennstoffzelle

Die Festoxidbrennstoffzelle (englisch 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, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Allgemein wird dazu Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) verwendet. Die Kathode ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff (Strontium-dotiertes Lanthanmanganat) gefertigt, der für Ionen und für Elektronen leitfähig ist. Die Anode wird aus Nickel mit Yttrium-dotierten Zirkondioxid (sogenanntes Cermet) gefertigt, der ebenfalls Ionen und Elektronen leitet.

Aufbau

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.

Bauformen

Tubulare SOFC von Siemens Powergeneration

Im Wesentlichen unterscheidet man aufgrund der Bauform: tubulare (röhrenförmige, s. Abb.) und planare (flache) SOFCs. Tubulare SOFCs bieten technisch Vorteile bei der Abdichtung der Elektroden-Gasräume zueinander. Planare SOFCs eignen sich eher für Anwendungen, die hohe volumetrische Leistungsdichten erfordern. Aufgrund der tragenden Struktur wird weiterhin zwischen elektrolytgestützter und anodengestützter SOFC differenziert.

Technische Herausforderungen

Durch die hohe Einsatztemperatur ist es möglich, unedlere, das heißt kostengünstigere Materialien zu benutzen als zum Beispiel bei der PEMFC und gleichzeitig hohe Leistungsdichten und hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Die Material-Temperaturkombination erlaubt auch den Betrieb mit verschiedenen Reformaten (siehe auch Dampfreformierung), was die SOFC vielseitiger macht als andere Brennstoffzellen-Typen. Das Potential dieses Brennstoffzellen-Typs liegt also einerseits in der Möglichkeit, eine kostengünstige Brennstoffzelle entwickeln zu können und anderseits diese dann in eine schon vorhandene Infrastruktur zu integrieren. Allerdings ist die hohe Einsatztemperatur auch der Grund für fast alle technischen Herausforderungen. Die Dichtungstechnik der Gasräume zueinander ist sehr aufwendig (Hochtemperaturdichtung). Konventionelle Flachdichtungen versagen schlichtweg. Stoffschlüssige Verbindungen können die Elektroden kurzschließen. Daher werden spezielle Dichtungsmaterialien wie zum Beispiel Glaslote derzeit für SOFC-Anwendungen entwickelt. Auch ist die Alterung der Materialien (zum Beispiel aufgrund von Kriech- oder Oxidationsprozessen) bei hohen Temperaturen stark erhöht, was zu einer schnellen Abnahme des Leistungsvermögens der SOFC führt (vergleiche auch Degradation der Solarzelle). Hochtemperaturkorrosion führt zu einer Versprödung der metallischen Bauteile. Die Festigkeit der Bauteile nimmt bei hoher Temperatur ab. All dies kann bei Beanspruchung der Materialien zu Versagen führen. Spannungen im Betrieb haben ihren Ursprung vor allem in thermischen Gradienten und durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten (TEC) der Materialien. Eine Anwendung muss diesen Herausforderungen Rechnung tragen.

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	$\mathrm{CH_4 + 2\ O_2 \to 2\ H_2O + CO_2}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

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

Anwendung

Mögliche Anwendungen für SOFCs sind Bereiche, bei denen viel Leistung (Voraussetzung: hoher Stromfluss) benötigt wird. SOFC-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. Einige Pilotprojekte erreichen nach Angaben des Geräteherstellers bereits einen Wirkungsgrad > 50 % ^[1]. Solche Brennstoffzellen können direkt mit Erdgas oder Biogas betrieben werden, ohne dass ein Reformer notwendig ist. Durch die ablaufenden elektrochemischen Reaktionen wird elektrische Energie und Wärme produziert.

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

Neben der dezentralen Stromerzeugung ist die SOFC-Technologie auch für den Einsatz in zentralen Großkraftwerken interessant. Der hohe Wirkungsgrad, die hohe Abgastemperatur sowie die Restbrennbarkeit des SOFC-Abgase machen eine Vorschaltung von Festbrennstoffvergasern und/oder eine Nachschaltung von Gas- und Dampftturbinenkreisläufen sehr attraktiv. Vergaser-SOFC-Systeme, die mit Biomasse als Brennstoff arbeiten, können im Vergleich zu konventionellen dampfkreislaufbasierten Biomassefeuerungsanlagen doppelt so hohe Wirkungsgrade erzielen ^[2].

Nachteile

Der Nachteil solcher Brennstoffzellen besteht in ihrer kostenintensiven und sehr aufwendigen, kaum realisierbaren Herstellung. Somit ist sie noch weit entfernt von einer großtechnischen Realisierung in der Industrie und muss noch intensiv erforscht werden. Die genannten negativen Tatsachen (schwierige Herstellung und relativ niedrige Wirkungsgrade) liefern einen Grund, warum allgemein Brennstoffzellen sich heutzutage noch nicht richtig durchgesetzt haben.

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.

Literatur

• Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3937863044.
• Manuel Ettler: Einfluss von Reoxidationszyklen auf die Betriebsfestigkeit von anodengestützten Festoxid-Brennstoffzellen. Forschungszentrum Jülich, 2008, ISBN 9783893365708, S. 120 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).

Weblinks

• Verständliche interaktive Animation von BIGS zu Aufbau, Typen und Anwendung von Brennstoffzellen
• Forschungszentrum Jülich
• Brennstoffzellen Handbuch (engl.) (PDF-Datei; 5,01 MB)

Referenzen

1. ↑ Datenblatt eines kommerziellen 100kW-SOFC-Kraftwerks
2. ↑ Florian Nagel: Electricity from wood through the combination of gasification and solid oxide fuel cells. Swiss Federal Institute of Technology Zurich, 2008 (Ph.D. Thesis, Online)