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SOFC-Brennstoffzelle: Technik & Anwendung im Überblick

Die SOFC-Brennstoffzelle (englisch für solid oxide fuel cell) ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die bei einer Betriebstemperatur von 650 °C bis 1.000 °C Strom produziert. Charakteristisch für die SOFC-Technik ist der feste Elektrolyt aus Zirkondioxidkeramik und, dass neben Wasserstoff auch Erdgas oder Bioerdgas eingesetzt werden können.

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Funktionsprinzip einer oxidkeramischen Brennstoffzelle

Aufgrund ihrer hohen Arbeitstemperatur von bis zu 1000 °C wird die oxidkeramische SOFC-Brennstoffzelle den Hochtemperaturbrennstoffzellen zugerechnet. Da hierbei auch Prozesswärme ausgekoppelt werden kann, eignet sich die SOFC für die Kraft-Wärme-Kopplung. Die SOFC kann mit Erdgas oder Sondergasen betrieben werden.

Der Sauerstoff der Luft wird an der Phasengrenzfläche Kathode/Elektrolyt zu Sauerstoff-Ionen reduziert. Während des Prozesses wandern O2-Ionen von der Kathode, die mit Luft versorgt wird, zur Anode und reagieren dort mit dem Wasserstoff zu Wasser.

SOFC Systeme werden sowohl bei Mini-BHKWs, BHKWs als auch bei Großanlagen (Kombianlagen aus Brennstoffzelle und Gasturbine) für die reine Stromerzeugung eingesetzt. Daneben gibt es auch marktreife Geräte für den Einsatz als stromerzeugende Brennstoffzellen-Heizgeräte in Ein- und Zweifamilienhäusern.

Tabelle 1: Eigenschaften einer SOFC-Brennstoffzelle im Überblick
Elektrolyt Festkeramischer Elektrolyt
Arbeitstemperatur 650 bis 1000 °C
Brennstoff Wasserstoff, Erdgas, Methan
Entwicklungsstand marktreif, kommerziell verfügbar
Anwendung Kraftwerk, BHKW, Mikro-KWK
Wirkungsgrad (elektrisch) 33 bis 60%

SOFC-Elektrolyt

Der feste Elektrolyt der SOFC-Brennstoffzellen besteht aus einer Zirkondioxidkeramik. Zirkondioxid, das aus Silicatsanden gewonnen wird, besitzt die Eigenschaften, auch bei sehr hohen Temperaturen wärme- und korrosionsbeständig zu sein. Um sauerstoffionendurchlässig zu sein, benötigt das Zirkondioxid jedoch eine externe Beheizung. Auf freie Elektronen wirkt es isolierend.

Eine zusätzliche Dotierung mit Yttrium ermöglicht eine gute Leitfähigkeit für Sauerstoff-Ionen bei Temperaturen oberhalb 650 °C und erhöht die Leistung und die Haltbarkeit der Membrane. Da die Arbeitstemperatur der SOFC bei 650 bis 1000 °C liegt, lässt sich auch in diesem Fall der Reformierprozess in die Zelle integrieren.

SOFC-Kathode & -Anode

Die Kathode ist wie der Elektrolyt ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff (z. B. strontiumdotiertes Lanthanmanganat) gefertigt. Die Kathode und die Anode sind gasdurchlässig und leitfähig.

Negativ geladene Teilchen, in diesem Falle O2-Ionen, wandern von der Kathodenseite zur Anodenseite. Somit verläuft der Prozess in der SOFC-Brennstoffzelle in umgekehrter Richtung zu den PEMFC-Brennstoffzellen.

Da die Reformierung zum größten Teil intern erfolgt, kann direkt ein kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger wie z. B. Erdgas oder Bioerdgas, eingesetzt werden. Gleichzeitig kann durch die hohe Betriebstemperatur eine gute Wärmeauskopplung mit bis zu 80 °C für Wärmeversorgung oder 120 °C für Kraft-Wärme-Kälte Kopplung realisiert werden.

Tabelle 2: Reaktionsgleichungen von Kathode und Anode
anodenseitig 2H2 + 2O2- -> 2H2O (g) + 4e-
(O2- + CO -> CO2 + 2e-)
kathodenseitig O2 + 4e- -> 2O2-
Gesamtreaktion 2H2 + O2 -> 2H2O

Konzepte für den SOFC-Zellstapel-Aufbau

Planarer Aufbau des Zellstapels

Bei einem planaren Aufbau ist der Verbund aus Anode, Elektrolyt und Kathode als dünne, flache Scheibe ausgeführt. Zum Aufbau eines Stapels wird eine große Anzahl dieser Scheiben durch metallische oder keramische bipolare Platten getrennt und in Reihe geschaltet. Dieser Aufbau ist ebenfalls bei allen anderen Brennstoffzellentypen zu finden.

Einerseits hat der planare Aufbau durch den niedrigeren ohmschen Widerstand eine hohe Energie- und Leistungsdichte, andererseits erweist sich die Abdichtung der einzelnen Zellen als problematisch, da die Flächen beim planaren Aufbau eine ungünstige Geometrie aufweisen.

Dieser SOFC-Stapel (Stack) wurde am Forschungszentrum Jülich unter Realbedingungen im Dauerbetrieb über mehr als 10 Jahre getestet. (Foto: Forschungszentrum Jülich / R.-U. Limbach)
Dieser SOFC-Stapel (Stack) wurde am Forschungszentrum Jülich unter Realbedingungen im Dauerbetrieb über mehr als 10 Jahre getestet. (Foto: Forschungszentrum Jülich / R.-U. Limbach)

Tubularer Aufbau des Zellstapels

Bei einem tubularen Aufbau sind die elektrochemisch aktiven Elemente als lange, einseitig geschlossene Röhren ausgeführt. Dieses System erlaubt unterschiedliche Materialausdehnungskoeffizienten von Elektroden und Elektrolyt, ohne dass es zum Spannungsbruch im Brennstoffzellenstapel kommt, so dass eine hohe mechanische Stabilität gewährleistet wird. Als nachteilig wird jedoch der hohe ohmsche Innenwiderstand angesehen.

Tabelle 3: Vor- und Nachteile einer SOFC-Brennstoffzelle
Vorteile Nachteile
einfacher Zellaufbau hohe Betriebstemperaturen, lange Aufheizphase nötig
hohe Wirkungsgrade lange An- und Abfahrtzeiten
Prozesswärme auskoppelbar Korrosion der Komponenten
CO-unempfindlich setzt hohe Temperaturbeständigkeit an das Material voraus
kein Elektrolytmanagement erforderlich dynamische Betriebsweise nur eingeschränkt möglich
keine Edelmetalle, daher geringere Kosten
kein reiner Wasserstoff erforderlich
robuster und weniger wartungsintensiv

SOFC-Brennstoffzellen mit Gas-Brennwertmodul

Kleine Brennstoffzellen wie das BlueGEN SOFC-Mikro-Kraftwerk von SOLIDpower eignen sich auch zur Kombination mit anderen Heizsystemen wie z. B. mit einem Gas-Brennwertmodul als Zusatzheizgerät. Eine solche Hybridheizung kombiniert die Vorteile einer wärmegeführten Stromerzeugung und lohnt sich bei höherem Stromverbrauch selbst in Einfamilienhäusern. Die Anlage erzeugt elektrischen Strom, der ins Hausnetz oder ins öffentliche Netz eingespeist wird. Die produzierte Wärme kann zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung genutzt werden – beispielsweise für eine Fußbodenheizung.

Die BlueGEN-Brennstoffzelle kann mit nahezu jedem Heizsystem kombiniert werden und unterstützt dieses mit bis zu 200 Liter warmen Brauchwasser pro Tag. (Foto: SOLIDpower GmbH)
Die BlueGEN-Brennstoffzelle kann mit nahezu jedem Heizsystem kombiniert werden und unterstützt dieses mit bis zu 200 Liter warmen Brauchwasser pro Tag. (Foto: SOLIDpower GmbH)

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"SOFC-Brennstoffzelle: Technik & Anwendung" wurde am 01.12.2017 das letzte Mal aktualisiert.