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26.08.2014 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Jülicher Brennstoffzellen-Stack läuft seit über 61.000 Stunden

Autor:
Katrin Pudenz

Seit über 61.000 Stunden läuft mittlerweile ein Stapel planarer Festoxid-Brennstoffzellen des Forschungszentrums Jülich - 60.000 Stunden davon mit Stromproduktion. Damit sei ein neuer Weltrekord aufgestellt worden, teilt das Forschungszentrum mit.

Ein Stapel von planaren Festoxid-Brennstoffzellen (englisch "Solid Oxide Fuel Cells"; SOFC) des Forschungszentrums Jülich hat nun einen neuen Weltrekord aufgestellt: Der Stack (englisch für "Stapel") läuft mittlerweile ununterbrochen über 61.000 Stunden, davon 60.000 Stunden mit Stromproduktion.

"Mit sieben Jahren Laufzeit beweisen wir, dass die verwendeten Werkstoffe aller Einzelkomponenten wie Zelle, Dichtungswerkstoffe und metallische Bipolarplatten in dieser Kombination langzeitstabil sind", betont Dr. Norbert H. Menzler vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. Mit Blick auf einen stationären Einsatz von SOFCs sei dies ein Durchbruch: Für sie gelte mittelfristig eine Laufzeit von 40.000, langfristig von 80.000 Stunden als Zielsetzung.

Der Jülicher Stack aus dem Jahr 2007 wird bei 700 °C mit Wasserstoff als Brenngas betrieben. Die Degradation - gleichzusetzen mit einem Verlust an Stackspannung und damit Leistung - liegt bei unter einem Prozent pro 1000 Stunden Laufzeit, erklären die Wissenschaftler. Ein weiterentwickelter Stack aus dem Jahr 2010 habe mittlerweile über 30.000 Betriebsstunden absolviert und altere noch langsamer, seine Degradation liege bei etwa 0,3 Prozent pro 1000 Stunden.

Hintergrund: Festoxid-Brennstoffzellen

Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) mit keramischen Zellen sind eine der Hochtemperatur-Varianten der Brennstoffzelle. Sie werden bei 600 bis 1000 °C betrieben und liefern dabei höchste elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent, erläutern die Forscher. Sie sind einsetzbar in der Hausenergieversorgung, der industriellen Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW), zur Stromerzeugung in Kraftwerken und zur Stromerzeugung an Bord von Fahrzeugen. Sie können mit Wasserstoff, aber auch mit Methan (also Erdgas) oder Diesel-Reformat betrieben werden.

Das Forschungszentrum Jülich entwickelt seit Anfang der 1990er Jahre die oxidkeramische SOFC, vornehmlich für die stationäre dezentrale Energieversorgung im Größenbereich 5 bis 100 Kilowatt - das heißt für die Hausenergieversorgung (1 bis 10kW) sowie für die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (> 10 kW). Das Forschungszentrum Jülich konzentriert sich auf das sogenannte anodengestützte planare Konzept. Die Jülicher Forschung und Entwicklung umfasst die komplette Entwicklungskette von der Materialsynthese, der Werkstoffentwicklung für die Zelle, über die Herstellung von Schichten, Strukturen, Bauteilen und Komponenten und deren Charakterisierung anhand von Einzelzell- und Stacktests bis zum Systembetrieb und der Systemmodellierung sowie der Entwicklung von Peripherieaggregaten. Fünf Institute des Forschungszentrums sind an der SOFC-Entwicklung beteiligt.

SOFC für die Bordstromerzeugung in Kraftfahrzeugen

Darüber hinaus entwickeln Wissenschaftler des Jülicher Zentrums zusammen mit deutschen, europäischen und außereuropäischen Forschungs- und Industriepartnern SOFC für die Bordstromerzeugung in Kraftfahrzeugen und Schiffen. Dabei verfolgen die Wissenschaftler neben dem Einsatz des klassischen anodengestützten Konzepts auch ein Zellkonzept basierend auf metallischen Trägern, welche anschließend mittels Keramiktechnik und physikalischen Gasphasenabscheideprozessen beschichtet werden und so nach und nach Diffusionsbarrieren, Elektroden und Elektrolyt aufgetragen werden.

Ferner wird erprobt, ob die "klassische" SOFC auch als Hochtemperatur-Elektrolyse zur Erzeugung von entweder Wasserstoff als Brennstoff oder zur Erzeugung von Wasserstoff als Grundstoff für die weitere Verarbeitung zu beispielsweise Methan verwendet werden kann (auch "Power-to-Fuel" oder "Power-to-Liquid" genannt). In einer weiteren Ausführung wird die SOFC als Hochtemperatur-Metall-Luft Batterie entwickelt. Hierbei fungiert die SOFC einerseits als Elektrolysezelle, nämlich in Zeiten von Elektrizitätsüberschuss; bei höherem Elektrizitätsbedarf fungiert sie andererseits als Brennstoffzelle. Der "Strom" wird hierbei in Form von Sauerstoff gespeichert. Dieser wird genutzt, um ein Metall zu reduzieren - das heißt im Elektrolysemodus die Batterie zu laden - oder zu oxidieren, das heißt im Brennstoffzellenmodus die Batterie zu entladen.

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