1000-Watt-Schallmauer durchbrochen – Meilenstein der Brennstoffzellen-Entwicklung erreicht

Die Erdatmosphäre erwärmt sich. Smog plagt sommers wie winters den Großstadtmenschen. Daran sind maßgeblich Emissionen Schuld, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe frei werden: Treibhausgase, Spurengase, Staub usw. Viele Staaten der Welt wollen deshalb den Schadstoffausstoß reduzieren. Hierzu eignet sich die Brennstoffzelle ? als langfristige Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren und Kraftwerken. Auf dem Weg zu leistungsfähigen Brennstoffzellen für die dezentrale Energieversorgung ist Jülicher Forschern nun ein Durchbruch gelungen: Sie erzielten erstmals über 1000 Watt Leistung mit einer Brennstoffzelle, die mit einer zukunftsträchtigen Variante, der „SOFC“, arbeitet.

Im Forschungszentrum Jülich sind Brennstoffzellen für die verschiedensten Anwendungen in Entwicklung. Eine davon ist die SOFC ? Solid Oxide Fuel Cell, auf Deutsch: oxidkeramische Brennstoffzelle. Diese „Hochtemperatur-Brennstoffzelle“ soll eines Tages die dezentrale Energieversorgung ermöglichen: im Kleinkraftwerk, im Mehrfamilienhaus und im Auto. Jülicher Wissenschaftler haben hierzu eine neue Architektur für SOFC erarbeitet – mit Erfolg, wie sich nun zeigt: Mit ihrer innovativen Brennstoffzelle durchbrachen die Forscher erstmals die „1000-Watt-Schallmauer“. Genauer: Der mit Wasserstoff und Luft betriebene Brennstoffzellen-Stapel lieferte sogar 1600 Watt (1,6 Kilowatt).

„Andere Entwickler haben zwar auch schon eine ähnlich hohe Leistung erreicht, allerdings mit deutlich kleineren Einzelzellen. Unsere keramischen Zellen haben eine Größe von 25 mal 25 Quadratzentimetern ? weltweit ein Spitzenwert“, sagt Dr. Klaus Bonhoff, Leiter des Projekts Brennstoffzelle im Forschungszentrum Jülich. Und anders als bei Brennstoffzellen zur Versorgung von Laptops und anderen elektrischen Kleingeräten zählt bei Brennstoffzellen für die dezentrale Energieversorgung die Größe. Größere Brennstoffzellen bedeuten auch mehr Leistung. „Wir wollen spätestens im Jahr 2003 mit unserem neuen SOFC-Design 20 Kilowatt erzeugen“, sagt Bonhoff.

Brennstoffzellen mit einer Leistung zwischen einem und 1000 Kilowatt sind ideal für die dezentrale Energieversorgung. Sie versorgen große Gebäudekomplexe ebenso mit Strom wie mehrere Einzelgebäude. Zusätzlich kann die Wärme, die bei der Umsetzung des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle frei wird, zu Heizzwecken verwendet werden. Damit erreicht die Brennstoffzelle heute schon einen Wirkungsgrad ähnlich dem der modernsten GuD-Kraftwerke (Kopplung von Gas- und Dampfturbine in einem Kombiprozess). „Das Entwicklungspotential ist bei der Brennstoffzellen-Technik aber deutlich größer als bei den vergleichbaren Technologien“, erklärt Bonhoff.

Unschlagbar ist die Brennstoffzelle in Sachen Emissionen. Während ein Kubikmeter Abgas eines modernen Erdgas-GuD-Kraftwerks noch rund 100 Milligramm Stickoxide enthält, sind es bei der Brennstoffzelle nur noch ein Zwanzigstel. Der Kohlenmonoxid-Ausstoß beläuft sich bei der Brennstoffzelle auf ein Zehntel. Staub- und Schwefeldioxid-Emissionen, beim GuD-Kraftwerk noch nennenswerte Größen, entfallen bei der Brennstoffzelle völlig. Damit bietet die Brennstoffzelle die Möglichkeit, Emissionen zu verringern und so dem Treibhauseffekt und Smog entgegenzuwirken.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit für SOFC sieht Bonhoff im Bereich der Bordenergieversorgung für Kraftfahrzeuge. Schon jetzt liegt der Bordnetzverbrauch von PKWs bei mehreren Kilowatt, Tendenz steigend. Momentan wird diese Leistung mit der Lichtmaschine bereitgestellt. „Wenn man in Fahrzeugen der oberen Mittelklasse die Lichtmaschine durch eine Brennstoffzellenanlage ersetzt, lässt sich bis zu 20 Prozent Kraftstoff sparen“, rechnet Bonhoff vor.

Die Jülicher Forscher verfolgen ein neues Konzept, um die Leistungsfähigkeit der oxidkeramischen Brennstoffzelle zu steigern und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken. „Wir haben versucht von den teuren Spezialmaterialien wegzukommen, die momentan für Hochtemperatur-Brennstoffzellen nötig sind“, sagt Bonhoff. Die Forscher reduzierten außerdem die Schichtdicken des Elektrolyten auf ein Zehntel der ursprünglichen Stärke. „Mit diesem Konzept konnten wir die Betriebstemperatur der SOFC ? bei gleicher Leistung ? um rund 200 Grad Celsius senken. Die Kosten haben wir damit ebenfalls deutlich gedrückt“, resümiert Bonhoff