Neuer Meilenstein in der Brennstoffzellen-Entwicklung – Zweifacher Weltrekord bei der SOFC

Bei den international betriebenen Anstrengungen zur Entwicklung leistungsfähiger Hochtemperatur-Brennstoffzellen melden Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich einen beachtlichen Erfolg: Ein Mitte April in Betrieb genommener Brennstoffzellenstapel (Stack) aus nur 40 planaren Einzelzellen lieferte bei einer mittleren Betriebstemperatur von 850°C mit Wasserstoff als Brenngas eine Leistung von 9,2 Kilowatt. Betrieben mit Methan erreichte der Stapel 5,4 Kilowatt. Für ein planares System ist dies sowohl bezüglich der Leistung als auch hinsichtlich der Zellengröße von 20 x 20 Zentimeter ein neuer Weltrekord.

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff direkt in Elektrizität um. Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Festelektrolyt (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) sind vor allem für die stationäre Strom- und Wärmeerzeugung in Kraftwerken und Gebäuden interessant. Doch auch für mobile Anwendungen werden sie verstärkt diskutiert. SOFCs versprechen höchste Wirkungsgrade bei der Stromerzeugung und damit eine rationelle, umweltfreundliche Brennstoffnutzung. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich arbeiten an fortgeschrittlichen SOFCs mit planaren (ebenen) Zellen und dünnem Elektrolyten. Diesem Design wird von vielen Experten ein hohes Marktpotential vorausgesagt. Denn: Systeme mit planaren SOFCs erreichen hohe Leistungen bereits bei kleinem Volumen und niedriger Arbeitstemperatur. Die Jülicher Arbeiten werden unter anderem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Den Rekordstapel aus 40 Einzelzellen haben die Wissenschaftler aus dem Jülicher Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik (IWV) und der Zentralabteilung Technologie (ZAT) zunächst direkt mit Wasserstoff bei im Mittel 850°C betrieben. Er lieferte die Leistung von 9,2 Kilowatt – gegenüber der Bestmarke aus dem letzten Jahr eine Steigerung auf mehr als das Doppelte. Zudem gelten Temperaturen unterhalb 900°C in der Welt der Hochtemperatur-Brennstoffzellen als moderat. Das ist günstig für die Lebensdauer aller Materialien und erlaubt den Einsatz vergleichsweise billiger metallischer Werkstoffe. Anschließend stellten die Wissenschaftler den Stapel auf Methan als Brenngas um. Dieses wird direkt in der Zelle zu Wasserstoff umgesetzt. Ein vorgeschalteter Umwandlungsschritt, der zusätzliche Energie kostet, entfällt also. Dadurch wird der unkomplizierte Einsatz von Erdgas als Brennstoff ohne aufwändige Gasaufbereitung möglich. „Gegenüber dem Vorjahr konnten wir die Leistung im Methan-Betrieb mehr als verfünffachen“, freut sich Dr. Robert Steinberger-Wilckens, seit Februar 2002 Leiter des Projekts Brennstoffzelle am Forschungszentrum Jülich. „Das verdanken wir vor allem dem ausgeklügelten Design und der sehr effektiven Jülicher Werkstoffentwicklung.“

Zurzeit kann sich die SOFC auf dem Markt noch nicht durchsetzen, denn Werkstoffe, Komponenten und Herstellverfahren sind deutlich zu teuer. Doch auch für den Wettlauf zum Überspringen dieser Hürde sind die Jülicher Forscher gut gerüstet. Sie arbeiten bereits intensiv an neuen Materialien, mit denen sie höchste Leistungen und die Langzeitstabilität der Zellen kostengünstig realisieren können. Ihr erklärtes Ziel ist ein 20-Kilowatt-System. Diese Größenordnung ist deshalb so interessant, weil sie vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet. „Ausgehend von einem 20-Kilowatt-SOFC-System kann man sozusagen in alle Richtungen operieren. Diese Leistung liegt an der oberen Grenze, um ein Mehrfamilienhaus mit Strom- und Wärme zu versorgen, und an der unteren Grenze, um ein Blockheizkraftwerk für eine Siedlung zu betreiben“, erklärt Robert Steinberger-Wilckens und fügt hinzu: „Ein komplettes, in einem Gebäude einsetzbares 20-Kilowatt-SOFC-System haben wir für 2004 fest angepeilt.“