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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 Prozent. 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 Kilowatt - das heißt für die Hausenergieversorgung (1 bis 10kW) sowie für die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (> 10kW). 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.

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.

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Technische Ausführung

Die SOFC wird weltweit vorwiegend in zwei Hauptvarianten entwickelt: als Röhre und in Form einer planaren Membran. Dabei sind die aktiven Elektroden entweder auf eine Keramikröhre oder auf eine flache Keramikfläche aufgebracht. Daneben gibt es bei einzelnen Entwicklern andere Varianten in unterschiedlichster Geometrie.

In Jülich konzentrieren sich die SOFC-Aktivitäten auf das fortschrittliche Konzept der anodengestützten SOFC mit dünnem Elektrolyten. Durch den geringeren Widerstand der dünnen Schicht kann bei abgesenkter Betriebstemperatur eine Leistungssteigerung erreicht werden. Als Träger für die Zelle dient das Anoden-Material (Yttrium stabilisiertes Zirkoniumdioxid und Nickel), daher die Bezeichnung 'anodengestützt'. Jede Einzelzelle hat eine Spannung von etwa einem Volt.

Die Zellen werden in Jülich in einen Rahmen aus Stahl eingesetzt und mit Stahl-Zwischenplatten (Interkonnektoren) zu einem "Stack" gestapelt. Dadurch erreicht die Gesamt-Spannung eine technisch brauchbare Größe, die Leistung der Einheiten erhöht sich entsprechend. Wegen der hohen Temperaturen benutzen die Jülicher Forscher Glaskeramikmaterial zur Abdichtung und Fügung der Einzelteile. Die in Jülich entwickelten Materialien sind so abgestimmt, dass während Start und Stopp durch die Erwärmung und Abkühlung keine übermäßigen mechanischen Kräfte auf die Stacks wirken. Dazu wurde eigens ein Stahl entwickelt, der heute von ThyssenKrupp unter der Bezeichnung CroFer 22 APU vertrieben wird.

Querschnitt durch Zelle, Einzellage des Stacks und den Stack nach Jülicher Bauart

BildkompositionQuerschnitt durch Zelle, Einzellage des Stacks und den Stack nach Jülicher Bauart
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Aufbau und Arbeitsprinzipien

Zusatzinformationen

Ansprechpartner

Werkstoffe, Zelle:
Dr. Norbert H. Menzler
Tel.: +49 2461 61-3059
E-Mail: n.h.menzler@fz-juelich.de

Stack, System:
Prof. Ludger Blum
Tel.: +49 2461 61-6709
E-Mail: l.blum@fz-juelich.de

EU-Kontakte:
Dr. Bert de Haart
Tel.: +49 2461 61-6699
E-Mail: l.g.j.de.haart@fz-juelich.de


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