Die Oxidkeramische-Brennstoffzelle – SOFC

Die Oxidkeramische-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Betriebstemperaturen zwischen 500°C und bis zu 1000°C. Damit eignet sie sich für die direkte Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie z.B. Diesel, Benzin oder Erdgas. Allerdings lässt sie sich auch mit Wasserstoff betreiben. Je höher die Betriebstemperatur - typisch sind 800-900°C - desto langkettiger können die Kohlenwasserstoffe sein. Schweröle z.B. erfordern sehr hohe Temperaturen. Je höher das Temperaturniveau, desto höher werden die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Diese sind daher wesentlicher Schwerpunkt aller weltweit laufenden Entwicklungsvorhaben. Als Elektrolyt dient in der SOFC das Schwermetall Zirconium. Dessen Salz, Zirconiumdioxid, ist ein hochgradig temperaturstabiler Werkstoff, der mit Yttrium dotiert wird, um eine gewisse Leitfähigkeit zu erreichen.

Es gibt bei der SOFC nicht nur planare Konzepte sondern auch so tubulare Designs. Kathode, Elektrolyt und Anode bilden konzentrisch ein Rohr, durch das Luft geleitet wird, an der Außenseite streicht das Brenngas vorbei. Die Rohre werden dann zu Stacks gestapelt und elektrisch miteinander verbunden. Andere Konzepte arbeiten auch mit abgeflachten Rohren.

Die Funktion der SOFC-Brennstoffzelle

• Schritt 1
  Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator./li>

• Schritt 2
  Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.

• Schritt 3
  Die Elektronen fließen von der Anode zu Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.

• Schritt 4
  Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.

• Schritt 5
  Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen wandern durch den Elektrolyten (Yttriumdotiertes Zirkondioxid)) zur Anodenseite.

• Schritt 6
  Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.

Anwendungen der Oxidkeramischen-Brennstoffzelle

Aufgrund der hohen Betriebstemperatur und der damit verbundenen hohen Brennstoffflexibilität eignet sich die SOFC für eine ganze Reihe von Anwendungen. Die hohe Temperatur lässt sich auskoppeln und in industriellen Prozessen verwenden. Systeme im Bereich einiger 100 kW machen daher im industriellen Kontext sinn. Aber auch Haussysteme in der Leistungsklasse 1-5 kW (elektrisch) wurden erprobt. Im Vergleich zu PEM-Brennstoffzellen hat die SOFC keine Probleme mit Erdgas als Brenngas und somit keinen Systemaufwand für einen Reformer. Andererseits ist die hohe Temperatur eher geeignet für kleinere Nahwärmenetze bzw. Gebäude mit hohem Wärmebedarf.

Im mobilen Bereich soll die SOFC zukünftig vor allem zur Bordstromerzeugung eingesetzt werden, etwa im LKW. Da sie mit Diesel betrieben werden kann, muss kein zusätzlicher Kraftstoff mitgeführt werden und der LKW kann auch ohne laufenden Motor Strom erzeugen.

Ein ähnliches Einsatzgebiet ist die Energieversorgung auf großen Schiffen. Diese können aufgrund der hohen Schadstoffbelastung in Häfen immer seltener konventionelle Dieselaggregate einsetzen. Die SOFC wäre eine sehr effiziente Lösung dieses Problems. Zudem erzeugt sie die Energie praktisch geräuschlos und ohne Vibrationen.

In den USA, in Japan und auch in Europa wird derzeit sehr intensiv an der SOFC Technologie gearbeitet.