Parameterstudie zur Langzeitbeständigkeit von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC)

Fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle sind seit langem die am häufigsten
verwendeten Primärenergieträger der industrialisierten Welt. Doch seit einiger Zeit wird
ihr zukünftiger Einsatz kritisch beobachtet. Einerseits bewirkt die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger bei steigendem Verbrauch zu einem beschleunigten Preisanstieg1, der in den ersten fünf Jahren des 21. Jahrhunderts zu einer Preisverdoppelung für Rohöl führte. Andererseits werden durch die Verbrennung kohlenstoffhaltiger Energieträger große Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben. Heute ist unbestritten, dass dies durch den so genannten Treibhauseffekt die Erderwärmung verstärkt. Durch den damit verbundenen Meeresspiegelanstieg wird der Lebensraum von Millionen Menschen bedroht.
Somit wird bei weiterhin steigendem Verbrauch von Primärenergieträgern sowohl aus
ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht zukünftig eine effizientere Nutzung der
Primärenergieträger notwendig. Die meisten Industriestaaten verwenden den größten
Anteil des gesamten Erdöl- bzw. Erdgasverbrauchs für die Erzeugung elektrischer Energie und für die Wärmeenergiegewinnung.
Speziell in Deutschland sind für die elektrische Energieerzeugung permanent nutzbare
natürliche Ressourcen wie Geothermie oder Wasserkraft nicht in ausreichender Menge
vorhanden oder unterliegen den Schwankungen des Wetters wie Sonnen- und Windenergie.
Daher bietet hierzulande die Kraft-Wärmekopplung (KWK) eine hervorragende
Möglichkeit zur effizienten Energienutzung für die stationäre Energieversorgung. Bei
KWK wird dem Kunden vom Kraftwerk neben Strom auch Fernwärme zur Verfügung
gestellt. Damit der Anteil ungenutzter Abwärme minimiert und sehr hohe Systemwirkungsgrade erreicht.
Aufgrund ihres Funktionsprinzips erreichen Brennstoffzellen sehr hohe elektrische Wirkungsgrade.
Insbesondere bei Einsatz der oxidkeramischen Hochtemperaturbrennstoffzellen
(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) können in stationären Anwendungen die höchsten Systemwirkungsgrade und die höchsten Stromkennzahlen (Verhältnis von Strom zu
Nutzwärme) [WBGU] erzielt werden.
Aber auch im Automobil wird der Einsatz der Hochtemperaturbrennstoffzelle untersucht.
Erstens liefern moderne sparsame Verbrennungsmotoren nicht genügend Abwärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums, so dass (elektrische) Zusatzheizungen notwendig werden. Zweitens nimmt der Grad der Elektrifizierung (X-by-wire Technologie) im Automobil ständig zu, wodurch zusätzliche elektrische Energie benötigt wird. Durch den Einsatz der SOFC als Auxiliary Power Unit (APU) wird sowohl Wärme als auch elektrische Energie generiert und das unabhängig von der Motordrehzahl. Damit entfallen unnötige Teillastzyklen, in denen der Motor mit geringem Wirkungsgrad arbeitet [Lam03].
Obwohl das Funktionsprinzip seit mehr als 150 Jahren bekannt ist und die Vorteile der
SOFC auf der Hand liegen, konnten sich Brennstoffzellensysteme gegen das technisch
einfacher zu realisierende elektrodynamische Prinzip bisher nicht durchsetzen. Zwei
wichtige Gründe sind die bislang zu hohen Degradationsraten (Leistungsabnahme/
Zeiteinheit) und die zu hohen Kosten [Ker00].
Durch Absenkung der Betriebstemperatur können zwar einerseits kostengünstigere
Materialien für Peripheriegeräte des Systems eingesetzt werden. Andererseits nehmen
bei einer SOFC die Verluste bei sinkender Temperatur zu, so dass bei abgesenkter
Betriebstemperatur mehr Einzelzellen für die Erzeugung der gleichen Gesamtleistung
benötigt werden. Es sei denn, es kommen leistungsfähigere Zellen zum Einsatz.
Daher werden am Forschungszentrum Jülich (FZJ) seit einigen Jahren SOFCs mit katalytisch aktiven kobalthaltigen Kathoden entwickelt. Zellen mit diesen Kathoden erzielen im Bereich der SOFC weltweit hervorragende Werte bei Leistungsdichte und Langzeitstabilität und erlauben eine Absenkung der Betriebstemperatur um etwa 50 K ohne Leistungseinbuße gegenüber Zellen mit etablierter LSM-Kompositkathode. Die Degradationsraten der neu entwickelten Zellen sind aber höher als bei Zellen mit LSMKompositkathode.