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Information

Brennstoffzellentypen und ihr Entwicklungsstand

Brennstoffzellentypen
Man unterscheidet derzeit 6 verschiedene Brennstoffzellentypen. Sie werden in Abhängigkeit der Betriebstemperaturen und des Elektrolyten klassifiziert. Die Unterscheidung nach Betriebstemperaturen führt weiterhin zur Definition von Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen.


Quelle: EnergieAgentur.NRW

Zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen zählen: 

  •  die Alkalische Brennstoffzelle (AFC),
  •  die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), 
  •  die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) und  
  •  die Phosphorsaure-Brennstoffzelle (PAFC),

Zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen zählen:

  • die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) und
  • die Oxidkeramische-Brennstoffzelle (SOFC).

Neben der oben genannten generischen Untergliederung der Brennstoffzellen, die für die Beschreibung des Zellstapels von wesentlicher Bedeutung ist, ist über die Anforderungen an die Systemtechnik die Unterscheidung in stationäre, portable und mobile Systeme relevant. Die Entwicklungen der PAFC, MCFC und SOFC zielen bis auf Ausnahmen auf die stationäre Energieversorgung. Die PEFC wird vorwiegend für mobile, aber auch für stationäre Anwendungen entwickelt. Die DMFC wird für den Antrieb entwickelt; sie hat aber auch ein besonders hohes Potential für portable Kleinanwendungen.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Im mobilen Bereich werden hinsichtlich der Leistungsdichte - sowohl massen- als auch volumenspezifisch - sehr hohe Anforderungen gestellt (etwa 0,5-1 kg/kW). Bei stationären Anlagen hingegen führt eine geringere Leistungsdichte der Anlage im wesentlichen nur zu höheren Materialkosten. Auch die Anforderungen an die Leistungsdynamik stationärer Anlagen sind geringer. Dafür werden aber eine um den Faktor 10 höhere Standzeit - etwa 50.000 h gegenüber 5.000 h - und damit eine um den Faktor 10 geringere Alterung gefordert.

Entwicklungsstand
Folgende Merkmale kennzeichnen die Brennstoffzelle und zeigen damit letztlich auch die Motive auf, bei der Energiewende zur umweltschonenden Energieversorgung auf die Brennstoffzelle zu bauen:

Vorteile:

  • Hoher Wirkungsgrad bei Voll- und (je nach Anwendung) bei Teillast
  • Gute Regelbarkeit
  • Hohe Stromkennzahl und hoher elektrischer Wirkungsgrad
  • Gute Leistungserweiterung durch modularen Aufbau
  • Geringere Wartungsaufwand, dadurch geringere laufende Kosten
  • Geringe Schadstoff- und Lärmemissionen
  • Hohes Entwicklungspotenzial

Nachteile (zur Zeit):

  • Hoher Investitionskosten
  • Betriebserfahrungen im Feldtest noch gering
  • geringere Lebensdauer zu marktbeherrschenden Produkten (teilweise)
  • Wenige Anbieter

Die genannten Nachteile dürften allerdings zukünftig aufgrund weiterer Entwicklungsfortschritte an Bedeutung verlieren. Vor allem bei den Investitionskosten wird mit einem deutlichen Rückgang zu rechnen sein, wenn die Systeme technisch optimiert sind und größere Stückzahlen produziert werden können. Zudem gibt es schon heute Anwendungen, bei denen Brennstoffzellen schon heute wirtschaftlich einegsetzt werden können.

Brennstoffzellentypen

Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Die Alkalische Brennstoffzelle ("Alkaline Fuel Cell" - AFC) ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle. Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen bis 90 °C.

Aufbau
Alkalische Brennstoffzellen sind mit wässriger Kalilauge als Elektrolyt (30-45 Gew.-% KOH) ausgestattet, die durch die Zelle gepumpt wird. Ein entscheidender Nachteil dieses Elektrolyten ist seine Unverträglichkeit gegenüber Kohlendioxid (CO2), welches bei Kalilauge zur Zersetzung (durch Reaktion zu unlöslichem Karbonat) führt, so dass CO2 aus den zugeführten Gasen entfernt werden muss.

Als Elektrodenmaterialien werden Raney-Nickel für die Oxidation des Wasserstoffs bzw. Raney-Silber für die Reduktion des Sauerstoffs oder auch mit Edelmetallen aktivierter Kohlenstoff eingesetzt. Für die Stromableitung wird reines Nickel verwendet, während die Zellenrahmen aus Kunststoff bestehen. Ein Vorteil der AFC ist die Verwendung von eher preiswerten Katalysatoren. Die Katalysatoren wiederum sind notwendig, um bei den niedrigen Temperaturen eine ausreichend hohe Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion zu erzielen. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen und der vergleichsweise geringen Korrosivität der Kalilauge bestehen keine signifikanten Materialprobleme. Die erreichten Zellwirkungsgrade liegen bei etwa 70 %.

Einsatzbereiche
Die AFC stellt aufgrund der beschriebenen Reaktionen der Kalilauge hohe Anforderungen an die Reinheit der Reaktionsgase. Konnte früher nur hochreiner Wasserstoff verwendet werden, reicht modernen AFC allerdings bereits Wasserstoff in Industriequalität. Kathodenseitig durfte bislang nur reiner Sauerstoff eingesetzt werden. Bei neueren Entwicklungen ist auch Luft möglich, aus der allerdings das Kohlendioxid z.B. durch Adsorptionsmittel entfernt werden muss. Aus diesem Grunde erscheint auch ein Betrieb mit Kohlenwasserstoffen, aus denen man durch Reformierung ein wasserstoffhaltiges Gas mit nicht unerheblichem Kohlendioxidanteil gewinnt, nicht sinnvoll, da der Aufwand für die Gasreinigung sehr aufwändig wäre.

Wegen der extrem hohen Anforderungen an die Reinheit des Brennstoffs und der geringen Lebensdauer hatte sich in der Vergangenheit ihr Einsatzbereich kaum über Anwendungen in der Raumfahrt und in der Militärtechnik hinaus entwickelt. In diesem Bereichen spielt sie aber nicht zuletzt wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit weiterhin eine wichtige Rolle. Realisierte Leistungen für AFC liegen im kW-Bereich
(1-120 kWe). 

Durch technische Weiterentwicklungen bei der AFC (z.B. höhere Toleranz gegenüber Rest-CO2) haben Anwendungen im zivilen Bereich zugenommen. Die Fa. Astris aus den USA stellt z.B. tragbare Stromversorgungen her (siehe Foto). Auch für Bootsantriebe findet die AFC Verwendung. Ein weitere Anwendung findet sie in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV).

Polymer-Elektrolyt - Brennstoffzelle (PEFC) [umgangssprachlich meist PEM genannt]
Die Polymer-Elektrolyt - Brennstoffzelle ("Polymer Electrolyte Fuel Cell" - PEFC) ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle (auch NT-PEFC). Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen unter 100 °C. Seit einiger Zeit beschäftigt man sich auch mit der Entwicklung der Hochtemperatur-PEFC. Durch die Verwendung anderer Membranmaterialien ist es möglich, die Reaktionstemperatur auf bis zu 180 °C anzuheben.

 

Aufbau
Charakteristisches Kennzeichen der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist die dünne, gasdichte, protonenleitende, feste Polymermembran als Elektrolyt. In diese Kunststoffhaut sind Säuregruppen eingebunden, d.h. die Protonen diffundieren durch die Membran wie bei allen sauren Zellen von der Anode zur Kathode, wo sie zusammen mit den Sauerstoff-Ionen zu Wasser rekombinieren. Der für die Ionenleitung notwendige Wassergehalt heute verfügbarer perfluorierter Polymermembranen (z.B. aus NAFION®) führt zu der Begrenzung der Betriebstemperatur auf max. 100 °C.  Der elektrische Kontakt von den Elektroden zu den bipolaren Platten erfolgt über metallische oder Kohlenstoff enthaltende Stromableiter (Gasdiffusionslage). Diese Stromableiter müssen gas- und flüssigkeitsdurchlässig sein, um den Antransport der Reaktionsgase und den Abtransport des Reaktionswassers zu ermöglichen.

Quelle Grafik: Vaillant

Bei den niedrigen Temperaturen sind Katalysatoren notwendig, um eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion sicherzustellen. Aus materialtechnischer Sicht erfordert der stark saure Charakter der Membran (vergleichbar mit Schwefelsäure) den Einsatz von Edelmetallkatalysatoren wie Platin oder Platinlegierungen. Die Membranen werden mit dem edelmetallhaltigen Katalysator beschichtet, wobei der polymere Elektrolyt teilweise in die porösen Elektrodenstrukturen hinein reicht. In der Reduzierung der notwendigen Katalysatormenge und damit verbundener Kostenreduzierung liegt eines der Hauptentwicklungsziele bei der PEFC.

Die verwendeten Katalysatoren sowie Elektrolyte erfordern eine vergleichsweise hohe Brenngasreinheit (siehe Kapitel Brenngaserzeugung). Als Brenngas kommt nur H2 in Betracht. Oxidationsmittel ist O2, wobei im Unterschied zur AFC auch ein Luftbetrieb möglich ist; dies erweitert die Einsatzmöglichkeiten der PEFC deutlich. Kohlenmonoxid (CO) wird jedoch nur in sehr geringen Mengen toleriert, da es als Katalysatorgift wirkt.

Der wirtschaftlich interessante Leistungsbereich liegt zwischen wenigen Watt und ca. 300 kWe. Die technisch erreichbaren Vorlauftemperaturen von 75 °C bei Abwärmenutzung eignen sich für die Heizwärmeversorgung. Der elektrische Zellenwirkungsgrad liegt etwa bei 58 %, der elektrische Systemwirkungsgrad zwischen 32 und 40 %.

Neuere Entwicklungen zielen auf die Erhöhung der Betriebstemperatur und eine Verringerung der Katalysatorbeladung. Beides hat die Absenkung der Systemkosten zum Ziel. Bei den sogenannten Hochtemperatur-PEFC (HT-PEFC) werden mittlerweile Betriebstemperaturen von bis zu 180 °C erzielt. Dies gestattet es, auch mit geringeren Brenngasreinheiten zu arbeiten. Außerdem läßt sich die Reaktionswärme auf einem deutlich höheren Temperaturniveau auskoppeln, was die Verwendung kleinerer und damit preiswerterter Wärmeaustauscher ermöglicht.

Einsatzbereiche
Die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, ein sehr flexibles Verhalten - schnelle Lastwechsel sind möglich -, gute Kaltstarteigenschaften und eine kompakte Bauform infolge hoher Leistungsdichte aus. Sie bietet damit neben dem Einsatz in der stationären Kraft-Wärme-Kopplung, in der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und in der Notstromversorgung auch die notwendigen Voraussetzungen für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen und portablen Geräten wie zum Beispiel Mobiltelefone und Laptops.

Ihr wird ein großes Marktpotenzial vorausgesagt. Nicht zuletzt durch den Einsatz in der dezentralen Strom- und Wärmeversorgung für Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie der Stromversorgung in Kraftfahrzeugen mit in beiden Fällen hohen Stückzahlen könnte eine deutliche Reduzierung der Kosten realisiert werden. Im stationären Einsatz mit Batteriespeicher ließe sich sogar ein Inselbetrieb realisieren. (Quelle Bild rechts: Vaillant)

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ("Direct Methanol Fuel Cell" - DMFC) ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle. Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen unter 100 °C.

Aufbau
Die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) ist als Weiterentwicklung der PEFC anzusehen; entsprechend ist der Elektrolyt ebenfalls eine Kunststoffmembran. Als Katalysatormaterial wird zumeist eine Mischung aus Platin und Ruthen eingesetzt, die sich besonders zur Oxidation von Methanol sowie der entstehenden Zwischenprodukte eignet.

Einsatzbereiche
Die Besonderheit der DMFC besteht im verwendeten Brennstoff; sie kann an der Anode direkt mit flüssigem Methanol (80-90 °C) oder mit Methanoldampf (120 - 130 °C) und an der Kathode mit Luft beaufschlagt werden. Die DMFC stellt deshalb eine für den Antrieb von Fahrzeugen sehr interessante Alternative, etwa zum Batteriebetrieb bzw. zum Wasserstoffbetrieb einer PEFC, dar. Um eine PEFC mit Methanol zu betreiben, ist immer ein vorgeschalteter Reformer notwendig, was die Systemtechnik kompliziert (Prinzip der Indirekt-Methanol-Brennstoffzelle). Die DMFC bietet die prinzipiellen Vorteile des geringeren Systemvolumens und -gewichts, des einfacheren Systemdesigns, der einfacheren Betriebsweise mit schnellerem Ansprechverhalten und besserer Dynamik sowie geringeren Investitions- und Betriebskosten. Allerdings ist der Platinbedarf höher als bei der PEFC.

Die im Vergleich zur PEFC reduzierte Leistungsdichte der DMFC ist zum einen auf die langsamere Kinetik der Methanoloxidation und zum anderen auf die Methanolpermeation durch die Membran zurückzuführen. Diese Diffusion von Methanol von der Anoden- zur Kathodenseite führt zu Brennstoffverlusten und zu einer reduzierten Spannung aufgrund einer Mischpotentialbildung an der Kathode.

Forschungsbedarf besteht noch zur Stabilität der Edelmetallkatalysatoren (Vergiftung durch CO und anderer Zwischenprodukte) sowie zur Zuverlässigkeit derzeit verfügbarer Membranen (Verhinderung der Querdiffusion von Methanol zur Sauerstoffelektrode).

Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)
Die phosphorsaure Brennstoffzelle ("Phosphoric Acid Fuel Cell" - PAFC) ist eine Mitteltemperaturbrennstoffzelle. Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen von ca. 200-250 °C mit einem Elektrolyten. Sie ist bezüglich eingesetzter Brennstoffe deutlich flexibler als die Niedertemperaturbrennstoffzellen.

Aufbau
Die phosphorsaure Brennstoffzelle wird mit konzentrierter, nahezu wasserfreier Phosphorsäure (als Elektrolyt) betrieben. Die Elektroden bestehen aus kunststoffgebundenen Kohlematerialien, die mit katalytisch aktiven Edelmetallpartikeln (Platin und Platinlegierungen oder Gold) belegt sind. Die Phosphorsäure wird nicht wie in der AFC als Flüssigkeit durch die Brennstoffzelle gepumpt, sondern sie wird in einem porösen Kunststoffvlies aufgesaugt und so zwischen die Elektroden positioniert. Die übrigen Bauelemente bestehen entweder aus Graphit oder aus Kunststoffmaterialien.

Die Verwendung einer Säure als Elektrolyt erlaubt auf der Brennstoffseite den Einsatz von CO2-haltigen Gasen, da CO2 nicht mit der Säure reagiert. Dadurch eignet sich die PAFC auch zur Stromerzeugung aus Kohlenwasserstoffen, da das bei der Reformierung anfallende CO2 nicht vom Brenngas abgetrennt werden muss. Ausserdem ist aufgrund der Betriebstemperatur von ca. 200 °C die Toleranz der PAFC gegenüber CO höher. Die PAFC wird zumeist mit dem Brenngas Wasserstoff aus reformiertem Erdgas, Klärgas und dem Oxidationsmittel Luftsauerstoff betrieben. Auch der Einsatz von flüssigem Kohlenwasserstoffen wie etwa Naphtha ist möglich.

Der Entwicklungsstand ist im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen weit fortgeschritten. Verbesserungsbedarf besteht zum Beispiel hinsichtlich der Alterung der Zellen durch Abnahme der elektrischen Spannung (ca. 20 % vom Nennwert) über einen längeren Zeitraum und, wie bei allen Brennstoffzellen, der Kostenreduktion durch Serienherstellung.

Einsatzbereiche
Mit Betriebstemperaturen von 160-220 °C empfiehlt sich die phosphorsaure Brennstoffzelle u.a. auch für den Einsatz bei der Kraft-Wärme-Kopplung, alternativ für das herkömmliche Motor-BHKW. Bei der Brennstoffzelle vom Typ PureCell 200 (200 kWe, 220 kWth) des US-amerikanischen Herstellers UTC Power wurden elektrische Wirkungsgrade von 50 % und elektrische Systemwirkungsgrade von etwa 40 % gemessen. Da sie mit einer Mindesttemperatur von etwas mehr als 40 °C gefahren werden muss und der Aufheizvorgang von 50 °C auf 180 °C Betriebstemperatur etwa 3 Stunden dauert, ist diese phosphorsaure Brennstoffzelle bei kontinuierlichem Betrieb für die Grundlastversorgung geeignet. Nach einer vergleichsweise langen Betriebszeit von 40.000 Stunden müssen bisher die Stacks der Anlagen ausgetauscht werden.
Die Marktchancen werden durch die realisierbare Kostensenkung bei Brennstoffzelle und Peripherie festgelegt, das Marktvolumen entspricht dem von BHKW gleicher Leistung.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ("Molten Carbonate Fuel Cell" - MCFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Die MCFC arbeitet auf einem noch eher moderaten Temperaturniveau bei ca. 650 °C. Die Bandbreite der einsetzbaren Brennstoffe erweitert sich dabei nochmals deutlich gegenüber der Mitteltemperatur-Brennstoffzelle.

Aufbau
Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen Elektrolyten in Form geschmolzener Karbonate, zumeist Alkalikarbonate wie Lithiumkarbonat (Li2O3) und Kaliumkarbonat (K2CO3), aus. Diese eutektische Mischung ist bis etwa 480 °C fest, bei der Betriebstemperatur von ca. 650 °C weist diese in einer Matrix eingebundene Salzschmelze eine gute Leitfähigkeit des Elektrolyten für O2--Ionen auf. Die MCFC ist aus relativ preiswerten Materialien wie Nickel, Nickeloxid, Keramik und Stahl aufgebaut. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur ist kein Platinkatalysator notwendig; Nickel und Nickeloxid sind ausreichend elektrochemisch aktive Elektrodenmaterialien. Aufgrund der hochkorrosiven Karbonatschmelzen, die viele Materialien angreifen, liegt ein Hauptproblem in der Auswahl geeigneter Werkstoffe. Hierdurch wird die Lebensdauer der MCFC entscheidend beeinflusst.

Die MCFC ist unempfindlich gegen Kohlenmonoxid, nur Schwefel-Verbindungen und Halogene sind aus den Reaktionsgasen zu entfernen. Da Kohlendioxid (CO2) in die Zellreaktionen der MCFC einbezogen wird, ist dieser Brennstoffzellentyp sehr gut zur Verstromung kohlenstoffhaltiger Brenngase geeignet, welche unter Ausnutzung der Abwärme des Brennstoffzellenstacks zu Wasserstoff und CO2 reformiert werden. Die Brenngasreformierung wird durch einen Reformierkatalysator direkt in der Anodenkammer untergebracht (sog. interne Reformierung).In der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle werden der Kathode Luft und Kohlendioxid (CO2), der Anode Wasserstoff zugeführt.

Charakteristisch an der MCFC ist, dass der Luftsauerstoff durch die doppelt negativ geladenen Karbonationen, die sich durch Lösung von Luftsauerstoff und CO2 im Elektrolyten bilden, von der Kathode zur Anode transportiert werden. An der Anode reagieren die Karbonationen mit dem Wasserstoff zu Wasser und CO2, welches als Anodenabgas wieder der Kathode zugeführt werden muss und so den CO2-Kreislauf schließt. Dieses sogenannte Heiß- oder Anoden(ab-)gas ist die eigentliche Besonderheit des MCFC-Konzepts.
Die MCFC ist dadurch prinzipiell in der Lage, unterschiedliche Brenngase direkt zu verarbeiten. Erdgas kann unmittelbar als Brenngas eingesetzt werden, denkbar sind auch andere Kohlenwasserstoffe wie Bio- und Klärgas. Jedoch ist aufgrund des oben genannten CO2-Kreislaufes die gesamte verfahrenstechnische Auslegung von MCFC-Anlagen etwas aufwändiger als bei den übrigen Brennstoffzellentypen (ein zusätzliches Elektrolyt- und CO2-Management ist notwendig).

Dem Einsatz der MCFC stehen noch einige Probleme gegenüber. Die Lebensdauer der Brennstoffzellenstacks wird durch die Instabilität der Kathode (Auflösung), die Korrosion des Separators zwischen den Stacks und die Deformation der Elektrolytmatrix erheblich eingeschränkt.

Einsatzbereiche
Die MCFC wird in einem Leistungsbereich von ca. 250-400 kWe gebaut werden. Kleinere Leistungen werden aus Kostengründen günstiger mit der PEFC realisiert. Der Zellenwirkungsgrad ist mit mehr als 60 % höher als bei der PAFC. Der relativ hohe Wirkungsgrad der MCFC im Vergleich zur PAFC ergibt sich aus dem höheren Temperaturniveau.

Aufgrund der zellinternen Reformierung wird bei der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ein elektrischer Systemwirkungsgrad von 52-54 % erwartet, durch die Kombination mit einem nachgeschalteten Dampfprozess wäre ein elektrischer Systemwirkungsgrad von 65 % möglich, zusätzliche Wärmeauskopplung ließe insgesamt einen Nutzungsgrad von mehr als 80 % erreichbar erscheinen lassen.

Da diese Brennstoffzelle mehrere Stunden Aufheizzeit benötigt und zur Vermeidung von Wärmespannungen langsam abkühlen soll, wird sie bei der Energieversorgung hauptsächlich für die Grundlast in Frage kommen und aufgrund der hohen Betriebstemperatur zusätzlich zur Stromerzeugung für die Bereitstellung von Prozesswärme auf mittlerem Niveau und Prozessdampf interessant sein.

Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)
Die oxidkeramische Brennstoffzelle ("Solid Oxide Fuel Cell"- SOFC) ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle. Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen bis ca. 1000 °C mit einem Elektrolyten. Die Bandbreite der einsetzbaren Brennstoffe erweitert sich dabei deutlich gegenüber der Mitteltemperaturbrennstoffzelle.

Aufbau
Die oxidkeramische Brennstoffzelle hat ähnlich wie die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle einen festen Elektrolyten, der hier aber aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO2/Y2O3) besteht.

Bei einer Betriebstemperatur von etwa 1000 °C wird der Kathode Luft zugeführt. Die hohe Temperatur ist für eine ausreichend hohe Leitfähigkeit des Elektrolyten notwendig. Doppelt negativ geladene Sauerstoff-Ionen (O²-) werden durch den Elektrolyten zur Anode transportiert. Dort verbinden sie sich mit an der Anode aus dem Brenngas gewonnenem Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Kohlendioxid und Wasserdampf.

Es gibt verschiedene Zellkonzepte, wobei insbesondere zwischen dem Röhrenkonzept (Prinzip Siemens-Westinghouse), planaren Anordnungen (Prinzip Hexis) und dem Substrat-Konzept (Forschungszentrum Jülich) unterschieden wird. Als Elektrodenmaterialien werden Nickel und elektrisch leitfähige Oxide eingesetzt. Auf den keramischen Festelektrolyten werden poröse Elektroden aufgebracht. Die Eigenschaften der keramischen Materialien erfordern spezielle Verabeitungstechniken.

Im Hinblick auf Kostenreduzierungen auf materialtechnischer Seite wird an einer Verringerung der Betriebstemperatur der SOFC (auf ca. 800 °C, teilweise auch auf bis zu 600 °C) gearbeitet, wobei bei diesen Temperaturen der Festelektrolyt schlechtere Leitfähigkeiten aufweist.

SOFC Prinzip, Quelle: Hexis Aufgrund der sehr hohen Betriebstemperaturen können auch CO-haltige Gasgemische aus Reformierungsreaktionen unmittelbar umgesetzt werden. Eine Reformierung ermöglicht prinzipiell den Einsatz verschiedener Brennstoffe (z.B. Erdgas, Kohlegas, Biogas) eingesetzt werden. Der gesamte Reformierungsschritt kann bei Verwendung von Erdgas (Methan) in die Brennstoffzelle integriert werden (interne Reformierung), so dass sich wesentliche Vereinfachungen bei der Betriebsführung der SOFC ergeben.


Abbildung rechts: SOFC Prinzip, Quelle: Hexis

Diese Brennstoffzelle bedarf keines Elektrolytmanagements und verspricht ein hohes Entwicklungspotenzial. Der systembedingten Unempfindlichkeit gegenüber CO stehen als Nachteil derzeit noch (aus der zu hohen Betriebstemperatur von 1000 °C resultierenden) materialbedingte Belastungs- und Laufzeitgrenzen gegenüber.

Einsatzbereiche
Die oxidkeramische Brennstoffzelle zeichnet sich durch ein vergleichsweise einfaches System, eine hohe Lebensdauer und hohe Zellenwirkungsgrade von rund 65 %, sowie Systemwirkungsgrade von 55 % aus. Für Anlagen zur Hausenergieerzeugung werden elektrische Systemwirkungsgrade von 35 bis 40 % sowie von bis zu 50 % im Teillastbetrieb erwartet. Die hohe Betriebstemperatur legt auch die industrielle Abwärmenutzung nahe, zum Beispiel durch Nachschaltung von Dampfprozessen. Durch die Kombination mit einer Dampfturbine sind dann Systemwirkungsgrade von mehr als 70 % möglich. Die zur Zeit verwirklichten Baugrößen reichen von 1 kW bis zu mehreren MW elektrischer Leistung.