Letzte Aktualisierung: 16.09.2024
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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.
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.
| 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.
| 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.
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.
| 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.
Alle Brennstoffzellen-Typen im Überblick
- Hochtemperatur-Brennstoffzelle
- Nidertemperatur-Brennstoffzelle
- PEM-Brennstoffzelle
- Methanol-Brennstoffzelle
