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Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)

Die oxidkeramische Brennstoffzelle ("Solid Oxide Fuel Cell"- SOFC) ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle. Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen bis ca. 1000 °C mit einem Elektrolyten. Die Bandbreite der einsetzbaren Brennstoffe erweitert sich dabei deutlich gegenüber der Mitteltemperaturbrennstoffzelle.

Aufbau

Die oxidkeramische Brennstoffzelle hat ähnlich wie die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle einen festen Elektrolyten, der hier aber aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO2/Y2O3) besteht.

Bei einer Betriebstemperatur von etwa 1000 °C wird der Kathode Luft zugeführt. Die hohe Temperatur ist für eine ausreichend hohe Leitfähigkeit des Elektrolyten notwendig. Doppelt negativ geladene Sauerstoff-Ionen (O²-) werden durch den Elektrolyten zur Anode transportiert. Dort verbinden sie sich mit an der Anode aus dem Brenngas gewonnenem Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Kohlendioxid und Wasserdampf.

Es gibt verschiedene Zellkonzepte, wobei insbesondere zwischen dem Röhrenkonzept (Prinzip Siemens-Westinghouse), planaren Anordnungen (Prinzip Hexis) und dem Substrat-Konzept (Forschungszentrum Jülich) unterschieden wird. Als Elektrodenmaterialien werden Nickel und elektrisch leitfähige Oxide eingesetzt. Auf den keramischen Festelektrolyten werden poröse Elektroden aufgebracht. Die Eigenschaften der keramischen Materialien erfordern spezielle Verabeitungstechniken. Im Hinblick auf Kostenreduzierungen auf materialtechnischer Seite wird an einer Verringerung der Betriebstemperatur der SOFC (auf ca. 800 °C, teilweise auch auf bis zu 600 °C) gearbeitet, wobei bei diesen Temperaturen der Festelektrolyt schlechtere Leitfähigkeiten aufweist.

 

Aufgrund der sehr hohen Betriebstemperaturen können auch CO-haltige Gasgemische aus Reformierungsreaktionen unmittelbar umgesetzt werden. Eine Reformierung ermöglicht prinzipiell den Einsatz verschiedener Brennstoffe (z.B. Erdgas, Kohlegas, Biogas) eingesetzt werden. Der gesamte Reformierungsschritt kann bei Verwendung von Erdgas (Methan) in die Brennstoffzelle integriert werden (interne Reformierung), so dass sich wesentliche Vereinfachungen bei der Betriebsführung der SOFC ergeben.

(Abbildung links: SOFC Prinzip, Quelle: Hexis)

Diese Brennstoffzelle bedarf keines Elektrolytmanagements und verspricht ein hohes Entwicklungspotenzial. Der systembedingten Unempfindlichkeit gegenüber CO stehen als Nachteil derzeit noch (aus der zu hohen Betriebstemperatur von 1000 °C resultierenden) materialbedingte Belastungs- und Laufzeitgrenzen gegenüber.

Einsatzbereiche

Die oxidkeramische Brennstoffzelle zeichnet sich durch ein vergleichsweise einfaches System, eine hohe Lebensdauer und hohe Zellenwirkungsgrade von rund 65 %, sowie Systemwirkungsgrade von 55 % aus. Für Anlagen zur Hausenergieerzeugung werden elektrische Systemwirkungsgrade von 35 bis 40 % sowie von bis zu 50 % im Teillastbetrieb erwartet. Die hohe Betriebstemperatur legt auch die industrielle Abwärmenutzung nahe, zum Beispiel durch Nachschaltung von Dampfprozessen. Durch die Kombination mit einer Dampfturbine sind dann Systemwirkungsgrade von mehr als 70 % möglich. Die zur Zeit verwirklichten Baugrößen reichen von 1 kW bis zu mehreren MW elektrischer Leistung.


Bild rechts: Pilotanlage eines Brennstoffzellen-Heizgerätes Typ Galileo N mit einer SOFC 1 kWel/2,5 kWth (Quelle: Hexis)