Festoxidbrennstoffzelle

Die Festoxidbrennstoffzelle basiert auf einem elektrochemischen Hochtemperaturprozess, mit dem aus Wasserstoff elektrische Energie gewonnen wird. Sie wird bei Temperaturen zwischen 650 °C und 1000 °C betrieben und hat deshalb einen besonders hohen Wirkungsgrad. Erdgas, Biogas, oder Methan (CH4) können in Kombination mit einer Dampfreformierung, bei der eine Mischung aus Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) erzeugt wird, ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt werden. Die englische Abkürzung SOFC (für solid oxide fuel cell) ist auch in der deutschsprachigen Literatur üblich. Gelegentlich werden außerdem die Bezeichnungen Oxidkeramische Brennstoffzelle oder Hochtemperaturbrennstoffzelle verwendet.

Prinzip

Charakteristisch für diesen Brennstoffzellentyp ist, dass der Elektrolyt aus einem Festkörper besteht und zwar aus einem oxidkeramischen Material, das in der Lage ist, Sauerstoff-Ionen zu leiten, aber für Elektronen einen Isolator darstellt. Viele Festoxidbrennstoffzellen-Projekte sind noch in der Entwicklung, einige wenige sind schon am Markt.

Schema der Festoxidbrennstoffzelle

Der Elektrolyt hat die Gestalt einer möglichst dünnen, gasdichten Membran, durch die Sauerstoff-Ionen verlustarm transportiert werden können. Hierzu sind hohe Temperaturen notwendig, da die Leitfähigkeit für Sauerstoff-Ionen erst oberhalb von 650 °C ausreichend hoch ist. Auf beiden Seiten des Elektrolyts sind gasdurchlässige elektronische Leiter als Kathode und Anode angebracht. Die Kathodenseite ist von Luft umgeben, die Anodenseite von Brenngas.

Die Funktion dieser galvanischen Zelle beruht auf einer Redoxreaktion, bei der Reduktion und Oxidation räumlich getrennt ablaufen, und zwar an den jeweiligen Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt. Bei der SOFC ist diese Redox-Reaktion eine Reaktion von Sauerstoff mit einem Brenngas. Häufig handelt es sich bei dem Brenngas um Wasserstoff, der mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasserdampf reagiert.

Auf der Kathodenseite herrscht durch die Anwesenheit von Luft ein vergleichsweise hoher Sauerstoffpartialdruck (d. h. hohe Sauerstoffkonzentration), während auf der Anodenseite im Brenngas nur ein vernachlässigbar geringer Sauerstoffpartialdruck zustande kommt. Dieser Partialdruckunterschied ist die Ursache dafür, dass sich die Sauerstoff-Ionen im Festelektrolyt von der Kathodenseite zur Anodenseite bewegen. Voraussetzung hierfür ist, dass Kathode, Elektrolyt und Anode mithilfe elektrischer Leitungen einen geschlossenen Stromkreis mit einem Verbraucher bilden. Hat das Sauerstoffmolekül (O2) die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt erreicht, zerfällt es unter Aufnahme von vier Elektronen in zwei jeweils zweifach-negativ geladene Sauerstoff-Ionen, die durch den Festelektrolyt zur Anode driften. An der Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche reagieren die Sauerstoff-Ionen mit den Wasserstoffmolekülen des Brenngases, wobei Wasserdampf und vier freie Elektronen erzeugt werden. Die elektrochemischen Reaktionen werden durch diese Formel beschrieben:

Kathodenseite: O2 + 4 e− → 2 O2-

Anodenseite: 2 O2- + 2 H2 → 2 H2O + 4 e−

Gesamtreaktion: O2 + 2 H2 → 2 H2O

Neben dem Reaktionsprodukt Wasserdampf (und CO2 falls CO im Brenngas enthalten ist) entsteht zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Gleichspannung und es fließt ein Gleichstrom zum elektrischen Verbraucher. Da die Brennstoffzellenreaktion exotherm abläuft, wird gleichzeitig zur Stromgewinnung auch Wärme freigesetzt.

Der elektrische Wirkungsgrad, der die erzeugte elektrische Energie in Bezug zur chemischen Energie des verbrauchten Brenngases setzt, kann bis zu 65 % betragen. Damit übertrifft die Festoxidbrennstoffzelle konventionelle Stromgeneratoren, die Diesel oder Erdgas verbrennen, bei Weitem. Der elektrische Wirkungsgrad hängt von der Betriebstemperatur ab: Er wird höher mit steigender Temperatur, aber genau so nehmen die technischen Probleme zu betreffend Stabilität der verwendeten Materialien, Dichtigkeit und insbesondere die Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellensystems.

Man kann die Komponenten der Festoxidbrennstoffzelle auch verwenden, um bei hohen Temperaturen Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasserdampf zu gewinnen. Hierzu wird von außen ein elektrische Spannung angelegt, die die Stromrichtung (gegenüber der Brennstoffzelle) umkehrt und die Sauerstoff-Ionen in die entgegengesetzte Richtung driften lässt. Die oben beschriebenen elektrochemischen Reaktionen laufen dann in umgekehrter Richtung ab.

Dieselbe Anordnung von Kathode, Elektrolyt und Anode wird in Lambdasonden verwendet, um den Sauerstoffpartialdruck im Abgas von Verbrennungsmotoren zu messen. Ein nennenswerter Strom fließt nicht, jedoch ergibt sich eine elektrische Spannung gemäß der Nernst-Gleichung in Abhängigkeit von der Sauerstoff-Partialdruckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Festelektrolyten.

Bauformen

Röhrenförmige Festoxidbrennstoffzelle mit Interkonnektor

Für eine technische Anwendung z. B. in dezentralen Stromgeneratoren oder Blockheizkraftwerken muss eine sehr große Anzahl einzelner Zellen elektrisch verbunden werden. Hierzu dienen Verbindungselemente – auch Interkonnektoren genannt –, die neben Kathode, Anode und Elektrolyt zu jeder Einzelzelle gehören.

Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen röhrenförmigen und planaren Bauformen. Die röhrenförmige Bauform (siehe nebenstehende Abbildung) bietet Vorteile hinsichtlich der Abdichtung zwischen Brenngas und Luft sowie bei der Beherrschung mechanischer Spannungen beim Aufheizen und Abkühlen. Sie wurde insbesondere bei früheren Entwicklungen z. B. von der Firma Siemens-Westinghouse bevorzugt.

Planare Festoxidbrennstoffzelle mit Verbindungselement

Die planare Bauform (auch Flachzellengeometrie genannt) ist vergleichsweise kompakter und ermöglicht es, bei gleicher Leistung weniger Bauvolumen zu beanspruchen. Sie wird inzwischen von den meisten Entwicklern bevorzugt, obwohl sie besonders hohe Anforderungen an die mechanische Stabilität und die Gasdichtigkeit unter wechselnden Betriebsbedingungen stellt. Die Gaszufuhr und -abfuhr kann wie bei einem Kreuzstromwärmetauscher ausgeführt werden (siehe nebenstehende Explosionszeichnung); weitere geometrische Varianten sind möglich. Wenn diese Zellen übereinander gestapelt werden, erhält man einen sogenannten Brennstoffzellenstack.

Um die einzelnen Zellen mit Brenngas auf der Kathodenseite und Luft auf der Anodenseite zu versorgen, benötigt man spezielle Verteilerkanäle. Diese Kanäle müssen genau so gasdicht sein wie die einzelnen Zellen, damit das Brenngas nicht unkontrolliert mit den Luftsauerstoff reagiert. Für die Abgase der Kathoden- und Anodenseite sind ähnlich gestaltete Abgaskanäle mit den Zellen zu verbinden. Während dies bei rohrförmigen Brennstoffzellen wegen der vergleichsweise geringen Packungsdichte einfach ist, müssen bei planaren Zellen komplexe Bauformen realisiert werden.

Festoxidbrennstoffzelle mit interner Gasverteilung

Die nebenstehende Abbildung zeigt eine mögliche Variante, wie diese bei planaren Zellen mit Kreuzstrom-Gasführung gestaltet werden kann. Zusätzlich zum elektrisch leitenden Verbindungselement ist ein elektrisch isolierendes Dichtungselement erforderlich. Wenn die Gaskanäle – wie hier gezeigt – durch das Verbindungselement und das Dichtungselement geführt werden, spricht man von interner Gasverteilung.

Technische Herausforderungen

Die Herausforderungen ergeben sich aus folgenden drei übergeordneten Zielen:

Für einen maximalen Wirkungsgrad sind die elektrischen Verluste der Zellen und ihre Verbindungen zu minimieren; das sind zu einem die ohmschen Verluste basierend auf dem spezifischen Widerstand der Materialien und zum anderen die elektrochemischen Polarisationsverluste an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Festelektrolyt. Auf kostenaufwendige Edelmetalle wie z. B. Platin kann – im Gegensatz zu anderen elektrochemischen Verfahren – aufgrund der hohen Temperaturen verzichtet werden.

Die hohen Temperaturen, die je nach SOFC-Typ bis 1000 °C betragen, stellen für die aktiven Zellen, die Gasführungssysteme und die anderen Aggregate eine hohe Belastung dar. Alle Komponenten müssen über Jahre chemisch und mechanisch stabil sein, d. h. beispielsweise, dass keine Oxidation und Korrosion, keine Risse und kein Kriechen auftreten dürfen. Diese Anforderungen gelten insbesondere beim Aufheizen und beim Abkühlen für alle Fügestellen, da Undichtigkeiten im Brenngasbereich zu Wirkungsgradverlusten führen. Deshalb müssen die mechanischen Spannungen in den Zellen und den Gasverteilungssystemen minimiert werden, die durch voneinander abweichende thermische Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien oder durch Temperaturunterschiede innerhalb einzelner Komponenten zustande kommen.

Für die Wirtschaftlichkeit sind die Kosten der verwendeten Materialien, der Herstellverfahren für die Komponenten und der Fügetechniken von wesentlicher Bedeutung. Hinzu kommt der Aufwand für die umgebende Apparatetechnik wie Kompressoren, Gaswäscher, Wärmetauscher, Reformer, Nachbrenner und Wechselrichter. Details der Apparatetechnik hängen von der geplanten Anwendung ab, z. B. als vom Netz unabhängige Stromquelle, Blockheizkraftwerk oder Notstromaggregat. Wenn die Brennstoffzelle auch im inversen Betrieb als Elektrolysezelle betrieben werden kann, ergibt sich ein Energiespeicher auf der Basis von Wasserstoff.

Aus bisherigen Arbeiten ist bekannt, dass die geforderte Langzeitbeständigkeit im Temperaturbereich 900 bis 1000 °C nur schwer zu erreichen ist. Bei geringeren Temperaturen sind große Anstrengungen notwendig, um die elektrischen Verluste zu minimieren, z. B. mit sehr dünnen Elektrolyten oder solchen, die eine besonders hohe ionische Leitfähigkeit aufweisen.

Forschung und Entwicklung

Der erste erfolgreiche Nachweis von funktionierenden SOFC-Prototypen gelang der Firma Westinghouse Power Corporation (jetzt Siemens Power Generation) in den späten 1980er Jahren, wobei schließlich eine Leistung von 25 kW und eine Betriebsdauer von 70 000 Stunden erreicht wurden. Die rohrförmigen Zellen bestanden aus einer relativ dicken, tragenden Kathodenschicht, einem Dünnschicht-Elektrolyt aus Yttrium-stabilisiertem Zirconiumoxid (kurz YSZ) und einer außenliegen Anodenschicht. Zur Herstellung des dünnen Festelektrolyten wurde ein spezielles Verfahren der Gasphasenabscheidung angewendet, das mit hohen Kosten verbunden war. Außerdem waren die Zellen für ihre Leistung noch recht groß.

Festoxidbrennstoffzelle auf Metallträger

Im Zeitraum nach 1995 nahmen die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten weltweit sukzessive zu, was durch ca. 30 000 Veröffentlichungen in 30 Jahren eindrucksvoll nachgewiesen ist. Ein Fortschritt war die Entwicklung von Festelektrolyten, die eine Absenkung der Betriebstemperatur auf maximal 800 °C erlauben (siehe Folgekapitel Materialien). In so genannten IT-SOFCs (englisch intermediate-temperature SOFCs, oder Mitteltemperatur-SOFCs) können keramische Verbindungselemente durch kostengünstigere und thermomechanisch stabilere Metallteile ersetzt werden. Darüber hinaus ist es möglich, für planare Zellen stabile Metallträger zu verwenden, auf die Kathode, Festelektrolyt und Anode als dünne Schichten aufgetragen werden (siehe Abbildung). Der Metallträger enthält i. a. Poren oder Bohrungen für die Gasdurchlässigkeit und ist dadurch ein Teil der Anode; eine dünne, poröse, elektrisch leitfähige und katalytisch wirksame Schicht auf dem Elektrolyt dient in diesem Fall zur Kontaktierung. Für diese Bauform werden eine höhere mechanische Robustheit und verringerte Herstellkosten erwartet.

Im Jahr 2026 ist Bloom Energy Corporation, USA nach eigenen Angaben das global führende Unternehmen für SOFC-Systeme. Es produziert u. a. Brennstoffzellenmodule für Erdgasbetrieb mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 53 % bis 65 % und einer Leistung von 325 kW (Wechselstrom). Die mit über 350 °C anfallende Abwärme kann als Prozesswärme für die Industrie oder zu Heizzwecken genutzt werden. Die 350 kW-Aggregate lassen sich zu größeren Einheiten verschalten, um als netzunabhängige Stromversorgung im 10 MW-Bereich zu dienen.

Weitere Unternehmen, die technisch ausgereifte Festoxidbrennstoffzellen zumindest in Kleinserien herstellen, sind: Ceres Power Holdings, Großbritannien, Solydera SpA, Italien, Mitsubishi Power, Japan und Weichai Power, China. Diese Aufzählung ist bei weitem nicht vollständig. In Deutschland hat sich das Unternehmen Robert Bosch GmbH trotz langjähriger Entwicklung aus der Festoxidbrennstoffzellen-Technik zurückgezogen.

Materialien

Festelektrolyt

Zirkonoxid mit 8 oder 9 Molprozent Yttriumoxid ist bisher das am häufigsten verwendete Material für Festelektrolyte von Brennstoffzellen. Man spricht im Allgemeinen von Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ), da die kubische Phase durch die Yttrium-Ionen über alle Temperaturbereiche erhalten bleibt. Indem vierwertigen Zirkonium-Ionen (Zr4+) zu einem gewissen Prozentsatz durch dreiwertige Yttrium-Ionen ersetzt werden, entstehen im Kristallgitter Sauerstoffleerstellen, über die ein Sauerstoff-Ionen-Strom fließen kann. Bei 1000 °C beträgt die spezifische Leitfähigkeit 0,1 S/cm. Bei Temperaturen unterhalb von 1000 °C fällt die spezifische Leitfähigkeit deutlich ab und beträgt für 800 °C nur noch 0,02 S/cm. Bei diesem geringen Wert sind Elektrolytdicken von weniger als 0,1 mm erforderlich, um den ohmschen Widerstand in Grenzen zu halten.

Eine Vielzahl von Materialvarianten wurden bisher untersucht, um tiefere Betriebstemperaturen und/oder höhere Stromdichten zu ermöglichen. Ein Beispiel ist ZrO2, das mit Sc2O3 (Scandiumoxid) statt Y2O3 dotiert wird und sich durch besonders hohe Ionenleitfähigkeit auszeichnet. Die extrem hohen Kosten von Sc2O3 sind jedoch ein großes Hindernis für eine kostengünstige Elektrolytherstellung.

Ein aussichtsreiches Material für tiefere Betriebstemperaturen stellt Ceroxid mit einigen Molprozent Gadoliniumoxid (abgekürzt: GDC) dar, das bei 800 °C eine elektrische Leitfähigkeit von 0,1 S/cm aufweist. Mit einem GDC-Festelektrolyt lassen sich die Betriebstemperaturen für Brennstoffzellen soweit absenken, dass metallische Verbindungselemente statt solche aus keramischen Werkstoffen verwendet können. Dies ist im Hinblick auf Kosten und Langzeitstabilität ein Vorteil. Andererseits hat GDC die Eigenschaft, dass im reduzierend wirkenden Brenngas eine Mischleitfähigkeit, d. h. für Ionen und Elektronen entsteht. Um die resultierende Verringerung des elektrischen Wirkungsgrads zu vermeiden, müssen dünne Elektronen-blockierende Schichten auf den Festelektrolyt aufgetragen oder die Anode an der Grenzfläche zum Festelektrolyt modifiziert werden.

Mitte der 1990er Jahre fand Tatsumi Ishihara ein neues Elektrolytmaterial und zwar mit Strontium und Magnesium dotiertes Lanthangalliumoxid, kurz LSGM. Es hat auch das Potenzial, Festoxidbrennstoffzellen bei niedrigeren Temperaturen als bisher betreiben zu können. LSGM gehört zu einer Gruppe von so genannten Perowskit-Elektrolyten mit der allgemeinen Formel ABO3, wobei A und B für dreiwertige Metalle und O für Sauerstoff stehen, also zum Beispiel LaGaO3. Damit genügend Sauerstoffleerstellen für die Ionenleitfähigkeit zur Verfügung stehen, werden ein Teil der dreiwertigen Metalle A und B durch zweiwertige ersetzt, für LSGM sind dies ca. 10 – 20 Molprozent Strontium auf Lanthan-Gitterplätzen und 20 Molprozent Magnesium auf Gallium-Gitterplätzen. Im Hinblick auf einen technischen Einsatz sind noch weitere Entwicklungsarbeiten notwendig.

Kathode

Von SOFC-Elektroden (d. h. von Kathode und Anode) werden folgende Eigenschaften verlangt:

Hierzu ist eine optimale Mikrostruktur der Elektroden erforderlich. Diese ergibt sich aus chemischer Zusammensetzung, Volumenanteilen von festen Phasen und Poren, Teilchengrößen, Größe und Tortuosität der Poren. Oft wird auf den Festelektrolyt zuallererst eine sehr dünne Grundierschicht aufgetragen, die eine besonders feine Mikrostruktur hat und/oder eine zusätzliche Komponente enthält, die ionenleitfähig ist wie z. B. dotiertes ZrO2 oder CeO2. Hiermit sollen möglichst viele Berührungspunkte zwischen Ionenleiter und Elektronenleiter in der umgebenden Gasatmosphäre geschaffen werden, woraus sich eine hohe katalytische Wirksamkeit ergibt. Viele Details zu Elektroden-Mikrostrukturen werden von den auf dem SOFC-Gebiet tätigen Firmen als proprietäres Know-how betrachtet und deshalb selten veröffentlicht.

Die Kathode einer Brennstoffzelle mit Zirkonoxid-basiertem Festelektrolyt besteht klassischerweise aus dem keramischen Werkstoff Lanthan-Strontium-Manganit (abgekürzt LSM). Es kann noch zusätzlich mit Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) angereichert sein, um den Ausdehnungskoeffizienten oder die elektrochemischen Eigenschaften zu beeinflussen. Für Brennstoffzellen mit Ceroxid-basierten Festelektrolyt werden häufig die Materialien Lanthan-Strontium-Cobaltit (abgekürzt LSC) und Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit (abgekürzt LSCF) verwendet. Im Hinblick auf zukünftige Brennstoffzellen für Betriebstemperaturen von 500 – 700 °C werden andere Kathodenmaterialien mit Perowskit-Kristallstruktur in Betracht gezogen. Zwei Beispiele von vielen sind Samarium-Strontium-Kobaltit (abgekürzt SSC) und Barium-Strontium-Cobalt-Ferrit (BSCF).

Anode

Für die Anode gelten ähnliche Anforderungen wie für die Kathode, wenn man davon absieht, dass sie von Brenngas und nicht von Luft umgeben ist. Sie wird in Kombination mit einem Festelektrolyt aus Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid (YSZ) aus einem Nickel/YSZ-Verbundwerkstoff hergestellt. Das metallische Nickel trägt zur elektrischen Leitfähigkeit und zur katalytischen Aktivität bei, die YSZ-Keramik dient der Haftung auf dem Festelektrolyt, der Vergrößerung der Kontaktflächen zwischen Ionen- und Elektronenleiter und der Stabilisierung der Mikrostruktur bei Betriebstemperatur. Bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie Erdgas oder Biogas statt Wasserstoff wirkt das Nickel zusätzlich als Katalysator für die Dampfreformierung. Wenn mit Gadoliniumoxid dotiertes Ceroxid (GDC) als Festelektrolyt dient, wird meistens ein Nickel/GDC-Verbundwerkstoff als Anodenmaterial verwendet.

Zur Optimierung der elektrochemischen Effizienz dienen unterschiedliche Optimierungsstrategien wie Dotierungen mit zusätzlichen Metallen, Variation der Porosität abhängig vom Abstand zur Anode-Elektrolyt-Grenzfläche und aus mehreren Schichten zusammengesetzte Anoden. Untersuchungen an Nickel-freien Anoden-Materialien wie z. B. Oxide mit Perowskit-Struktur haben gezeigt, dass mit ihnen schlechtere Leistungsdaten erreicht werden. Edelmetalle wie Platin sind wegen deren hohen Kosten auch keine Alternative.

Verbindungselement

Vom Material der Verbindungselemente (Interkonnektoren) werden eine ausreichende elektronische Leitfähigkeit sowie eine thermische und chemische Beständigkeit unter Betriebsbedingungen verlangt. Außerdem ist ein zum Festelektrolytmaterial passender thermischer Ausdehnungskoeffizient erforderlich, um beim Aufheizen und Abkühlen sowie im Dauerbetrieb nur minimale mechanische Spannungen zu erzeugen. Zum Beispiel hat der thermische Ausdehnungskoeffizient für mit 8 % Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid einen Wert von 10,3∙10−6/°C für das Temperaturintervall 30 °C – 900 °C, für mit 10 % Gadoliniumoxid dotiertes Ceroxid beträgt er 12,1∙10−6/°C für dasselbe Temperaturintervall.

Je nach Betriebstemperatur werden die Verbindungselemente aus unterschiedlichen Materialien hergestellt:

Für Temperaturen von ca. 1000 °C sind einige keramischen Oxide mit Perowskitstuktur im Prinzip geeignet. Am häufigsten wird Lanthanchromit verwendet, das zur Bildung beweglicher Ladungsträger mit Strontium oder Calcium dotiert ist. Keramische Verbindungselemente sind generell sehr kostenaufwendig und zwar im Hinblick auf das Material und die Herstellverfahren. Auch deren geringere mechanische Festigkeit stellt einen Nachteil im Vergleich zu metallischen Verbindungselementen dar. Seit es gelungen ist, die Brennstoffzellen-Betriebstemperaturen auf unterhalb von 1000 °C abzusenken, hat die Bedeutung keramischer Verbindungselemente abgenommen.

Für Betriebstemperaturen zwischen ca. 800 °C bis 900 °C eignen sich Chrom-Werkstoffe. Ein Beispiel ist die Legierung CFY von der Firma Plansee in Österreich, die neben dem Basismetall Chrom noch geringe Mengen von Eisen und Yttrium enthält. Sie hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizient von 10,8∙10−6/°C, der sich nur minimal von dem o. g. Wert für Zirkonoxid mit 8 % Yttriumoxid-Dotierung unterscheidet. Im Langzeitbetrieb der Brennstoffzellen muss verhindert werden, dass selbst geringe Mengen von Chrom-haltigen Verbindungen in die Gasphase gelangen und die Eigenschaften der Elektroden beeinträchtigen. Deshalb werden Chrom-basierten Verbindungselemente an der Oberfläche mit dünnen Schutzschichten aus vorwiegend oxidischen Werkstoffen versehen.

Unterhalb von 800 °C Betriebstemperatur werden hitzebeständige, hoch Chrom-haltige, ferritische Stähle verwendet, wohingegen austenitische Stähle wegen des zu hohen Ausdehnungskoeffizienten nicht verwendet werden können. Geeignete Stähle sind zum Beispiel 1.4760 X1CrTiLa22 (entspricht:Crofer 22 APU der Firma VDM Metals International GmbH, 58791 Werdohl) und X2CrTiNb18 (Deutsche Bezeichnung: 1.4509 bzw. US-amerikanische Bezeichnung: AISI 441). Wegen des hohen Chrom-Gehalts der Legierungen werden dünne Schutzschichten aus vorwiegend oxidischen Werkstoffen auf die Verbindungselemente aufgetragen, um keine Chrom-haltigen Verbindungen in die Gasphase gelangen zu lassen; nur so kann die Alterung der Elektroden im Langzeitbetrieb minimiert werden.

Reaktionsgleichungen

Reaktionsgleichungen 1 und 2

Brennstoffzellen können theoretisch jede ausreichend reaktionsfreudige Redox-Reaktion umsetzen, wenn die Ausgangsstoffe flüssig oder gasförmig sind. Feste Brennstoffe müssen entweder separat oder in der Brennstoffzelle zu Flüssigkeiten oder Gasen umgesetzt werden. Beispielsweise kann Koks bei ausreichend hoher Temperatur in einer geeigneten SOFC genutzt werden, da er mit dem Reaktionsprodukt CO2 zu Kohlenmonoxid umgesetzt werden kann.

Praktisch konzentriert man sich zumeist auf Brennstoffe, die leicht verfügbar sind. Bei SOFCs sind das vor allem die Gase Wasserstoff und Synthesegas. Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig und kann leicht hergestellt werden, insbesondere in Verbindung mit Kohlenstoffmonoxid wie im Synthesegas. So können Erdgas, Rohöldestillate, oder sogar Hackschnitzel für SOFCs aufbereitet werden. Oxidationsmittel ist der Sauerstoff der Luft.

Reaktionsgleichungen 1 Reaktionsgleichungen 2
Anode
Oxidation / Elektronenabgabe
Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode
Reduktion / Elektronenaufnahme
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamt-
reaktion
Redoxreaktion / Zellreaktion
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.

Methan wird zuerst zu Synthesegas reformiert

Die Festoxidbrennstoffzelle direkt mit Methan zu betreiben, führt zu Problemen mit der Pyrolyse von CH4 und den daraus resultierenden Kohlenstoffablagerungen.

Anode
Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamt-
reaktion
Redoxreaktion / Zellreaktion

Es gibt auch SOFCs, die Ammoniak als Brennstoff nutzen. Für die Reaktionsgleichungen und andere Details siehe Ammoniak-Brennstoffzelle.

Wirkungsgrad

Im Unterschied zu Wärmekraftmaschinen mit nachgeschaltetem Generator wie z. B. Gaskraftwerken, die die chemische Energie in Wärme, Kraft und dann in Strom umwandeln, wird in Brennstoffzellen der Strom (neben Wärme) direkt erzeugt. Damit ist der theoretische Wirkungsgrad sehr hoch. Ein Grund für die praktischen Grenzen der erreichbaren Wirkungsgrade liegt darin, dass zur optimalen Nutzung der relativ teuren Brennstoffzellen Mindeststromdichten angestrebt werden, die wiederum eine ausreichende Zufuhr von Brennstoff und Abfuhr der Abgase erfordern. Da die Verbrennungsprodukte an der Anode (z. B. CO2 und/oder H2O) an derselben Stellen auftreten, wo auch die Brenngase (H2, CH4, CO) benötigt werden, ist eine Vermischung nur schwer vermeidbar. Man könnte zwar die Gasströme verlangsamen oder die Elektrodenfläche vergrößern, um die Umsetzungen vollständiger und die Wirkungsgrade höher zu machen, aber die Stromdichte und die Leistung der Zelle wäre dann zu gering. Daher wird das Brenngas so eingeblasen, dass ein Teil unverbrannt aus der Zelle kommt. Die entsprechende Energie verringert den Wirkungsgrad der Zelle.

Interessant ist diese Anwendung insbesondere für den Power-to-Gas-Prozess, der mit herkömmlicher Technik nur relativ niedrige Wirkungsgrade aufweist. Mit reversibel betriebenen Festoxidbrennstoffzellen sind hingegen Strom-zu-Strom-Wirkungsgrade bis etwa 70 % möglich, womit der Wirkungsgrad in etwa vergleichbar mit Pumpspeicherkraftwerken ist. Die revers-arbeitende SOFC ist die SOEC.

Literatur

Einzelnachweise

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