Stabile Brennstoffzellen


Die Energieerzeugung mit Brennstoffzellen gilt als zukunftsgerichtet. Denn die kleinen Kraftwerke sind enorm energieeffizient und bringen vollkommen unschädliche Emissionen hervor. Zu den großen Hoffnungsträgern unter den verschiedenen Brennstoffzell-Typen gehören die sogenannten Sofcs (”Solid Oxide Fuel Cells”). Bei hohen Betriebstemperaturen wandeln sie fossile Brennstoffe wie Erdgas oder Diesel nach einem Reformierprozeß elektrochemisch in Strom und Wärme um. Sie arbeiten mit dem höchsten Gesamtwirkungsgrad aller Zelltypen.

Wissenschaftlern am Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) ist es nun im Verbund mit Industriepartnern gelungen, die Lebensdauer sogenannter Sofc-Stacks, in denen viele Zellen zu einer leistungsfähigen Einheit gestapelt sind, ganz beträchtlich zu steigern. Die Forscher wollen jetzt Produkte entwickeln, die den Strom- und Heizbedarf von Wohnhäusern decken können oder als mobile Stromgeneratoren Lastkraftwagen, Campingfahrzeugen und Booten eine Grundversorgung bieten. Damit rückt die verlockende Perspektive einer sauberen und effizienten Energieversorgung für Fahrzeuge in greifbare Reichweite.

Von der Knallgasreaktion zur Alkali-Brennstoffzelle
Die Erfindung der Brennstoffzelle ist nahezu 170 Jahre alt: Sir William Grove, ein britischer Physiker, konstruierte 1839 eine Vorrichtung, in der Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert miteinander reagierten. Damit hatte Grove erstmals die sogenannte Knallgasreaktion gezähmt. Das Prinzip jeder Brennstoffzelle besteht darin, daß die Elektronen der Wasserstoffatome - einem Energiegefälle folgend - zu den Sauerstoffatomen wandern. Läßt man beide Gase zusammenkommen, kann der Übertritt stürmisch erfolgen - eben als Knallgasreaktion.

Trennt man aber die Gase räumlich voneinander und zwingt die Elektronen zu einem Umweg über einen äußeren Leiter, während die Gasteilchen als Ionen eine entsprechende Membran passieren können, läßt sich der Elektronenfluß als Strom nutzen. Lange Zeit betrachtete man Groves „Gasbatterie” als Laborkuriosität, bis die Technik schließlich für die Energieversorgung im Weltraum weiterentwickelt wurde: Apollo-Raumkapseln und Space-shuttles flogen mit sogenannten Alkali-Brennstoffzellen ins All.

Elektrische Leistung bei hohen Temperaturen
In Dresden soll nun die Firma Staxera die Entwicklung von Sofc-Stacks weiterführen. Das am IKTS angesiedelte Gemeinschaftsunternehmen wurde in dieser Woche von Webasto und H.C. Starck gegründet. Sofcs arbeiten bei Betriebstemperaturen von etwa 850 Grad Celsius. Dies stellt hohe Ansprüche an die Komponenten. Der derzeitige Prototyp eines Stacks setzt sich aus 60 übereinandergestapelten Zellen zusammen und liefert eine elektrische Leistung von einem Kilowatt.

Jede einzelne Zelle besteht aus einer dünnen keramischen Folie aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxyd und hat etwa das Format einer CD-Hülle. Auf Vorder- und Rückseite dieser Elektrolytfolien werden Anode und Kathode quasi aufgedruckt. Anschließend brennt man die Keramik bei tausend Grad. Zwischen den einzelnen Zellen müssen sogenannte Interkonnektorplatten eingefügt werden. Sie sorgen für mechanische Stabilität und trennen die Gasströme der Anoden- und Kathodenflächen voneinander.

Kombination aus Strom- und Wärmeversorgung
Wie Christian Wunderlich von Staxera sagte, wurden entscheidende Fortschritte bei der Langzeitstabilität der Stacks vor allem durch Verbesserungen an der Kontaktschicht zwischen den Zellen und diesen Platten erzielt. Statt einer Keramik wählten die Forscher geprägte Platten aus einem speziellen Hochtemperaturstahl, die kostengünstig durch Laserschweißen zu Kassetten verbunden werden. Die Lebensdauer eines solchen Stacks soll 3.000 bis 10.000 Stunden bei mobilen und 40.000 Stunden bei stationären Systemen erreichen.

Einer der Vorteile der Sofcs besteht darin, daß sie mit Wasserstoff gespeist werden können, ebenso gut aber auch mit fossilen Brennstoffen wie Diesel und Erdgas oder auch Biogas arbeiten. In Kombination mit einem kleinen Reformer sind kompakte und einfache Ausführungen möglich, die keiner Wasserstoff-Infrastruktur bedürfen. Das macht die Stacks vor allem für Zusatzstromaggregate interessant. Der steigende Strombedarf moderner Fahrzeuge, die mit „Energiefressern” wie Klimaanlage oder Standheizung ausgestattet sind, ließe sich damit ebenso decken wie die Basis-Energieversorgung beim Segeln oder Zelten. Beim stationären Gebrauch in Einfamilienhäusern läßt sich hingegen nicht nur der Strom nutzen, sondern auch die in Kombination erzeugte Wärme, etwa für Heizzwecke oder die Warmwasserversorgung.

Laut Wunderlich soll der Preis für das mobile Staxera-Aggregat, dessen Markteinführung in drei Jahren erfolgen soll, bei etwa 3.500 Euro liegen. Das dürfte den Weg für die breitere Nutzung von Brennstoffzellen ebnen, deren hohe Herstellungskosten bislang das Haupthindernis für eine breite kommerzielle Einführung dieser umweltfreundlichen Technik sind. (Quelle: Uta Bilow; F.A.Z.)

Bildmaterial: picture-alliance / dpa/dpaweb


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