Vollkeramik-Brennstoffzellen

Dauerhafte Probleme mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) haben die Entwicklung von keramischen Zellen mit einer Strontiumtitanat-basierten Anode angeregt. Solche Zellen mildern drei Ausfallmechanismen, die ein Hindernis für ihre breitere Aufnahme in stationären Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen darstellen.

Energie

SOFC sind besonders flexibel in Bezug auf die Kraftstoffverträglichkeit im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen, da sie eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen verwenden können, um Strom zu erzeugen. Daher eignen sich SOFC so gut für stationäre Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die mit Erdgas oder anderen Brennstoffen betrieben werden. Herkömmliche SOFC haben mit drei Hauptproblemen aufgrund der Materialien zu kämpfen, die für die Anode verwendet werden, nämlich Nickel (Ni) in der Form von Ni-Cermets. Sie sind empfindlich gegenüber Kohlenstoffabscheidung (Verkokung), Deaktivierung durch Spuren von Schwefel (häufig in Erdgasleitung gefunden) und Versagen der Elektrode während der erneuten Oxidation. Wissenschaftler initiierten das EU-geförderte Projekt SCOTAS-SOFC (Sulphur, carbon, and re-oxidation tolerant anodes and anode supports for solid oxide fuel cells), um diese Probleme zu überwinden. Sie integrierten neuen Materialien - Strontiumtitanate - in bestehende und bewährte SOFC-Designs und entwickelten kosteneffektive hoch-skalierbare Herstellungsprozesse. Das SCOTAS-SOFC Team konzentrierte sich auf Vollkeramik SOFC Designs und insbesondere auf Anoden- und elektrolytgestützte Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen im Bereich von 700 bis 800 o C und 850 bis 900oC. Drei verschiedene Strontiumtitanat-basierte Materialien wurden für die Anoden untersucht: Lanthan und Calcium-substituiertes Strontiumtitanat, Yttriumoxid-substituiertes Strontiumtitanat und Niob-modifiziertes Strontiumtitanat. Anodengestützte Zellen wurden mit hochskalierbaren Verfahren zum Testen hergestellt. Erste Tests zeigten vielversprechende Leistungen sowie starken Abbau nach einigen Betriebsstunden. Wenn Anoden mit Elektrokatalysatoren infiltriert werden, etwa Nickel zusammen mit Gadolinium-modifizierte Ceroxid, könnte eine stabile Leistung aufrechterhalten werden. Elektrolytgestützte Zellen von 100 cm2 wurden dann hergestellt und auf Toleranz gegenüber Schwefel getestet. Nachdem sie abgeschaltet wurden erwiesen sich die neuen Brennstoffzellen sich als tolerant hinsichtlich der Reoxidation der Anode - sowohl mit als auch ohne Senkung der Zelltemperatur. Wichtig ist, dass ein Wirkungsgrad von 21% zum ersten Mal in einem SOFC auf Keramikanodenbasis demonstriert wurde. Die Ergebnisse von SCOTAS-SOFC bewiesen die ´Machbarkeit des neuen Zellkonzepts und seines Potentials, um die Robustheit der SOFC zu verbessern. Zwar ist noch Forschungs- und Entwicklungsarbeit erforderlich, bevor keramische Anoden mit den State-of-the-art-Ni-Cermet-Anoden konkurrieren können. Doch die Tür für den Einsatz von SOFC in Kraft-Wärme-Kopplung steht nun offen.