Heiss auf effizient erzeugte Energie

SCHOTT liefert extrem hitzebeständige Gläser und Glaskeramiken als Dichtungsmaterial für Hochtemperatur-Brennstoffzellen.

Damit erreicht die sogenannte Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) heute schon einen Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent und mehr. Intensive Forschungsaktivitäten sollen dazu beitragen, die energieeffizienten Wärme- und Stromlieferanten fit zu machen für den Massenmarkt.

„Wasser ist die Kohle der Zukunft” vermutete der französische Science-Fiction-Autor Jules Verne bereits 1870. Tatsächlich hatte der deutsche Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein 1838 festgestellt, dass aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff auf direktem und daher sehr effizientem Wege elektrische Energie gewonnen werden kann. Erneut nutzbares „Abfallprodukt” ist Wasser. Der Dynamogenerator, der aus Bewegung Strom gewinnt, setzte sich zwar schneller durch. Doch seit den 1960er-Jahren, als die ersten Mondmissionen erfolgreich durch Brennstoffzellen mit Energie versorgt wurden, erfährt die Technologie eine Renaissance. Zahlreiche Varianten wurden für den mobilen und stationären Einsatz entwickelt. Besonderes Marktpotenzial wird der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zugesprochen.

Strom und Wärme für den Haushalt

Wasserstoff kommt nämlich auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor. Einzig die SOFC ist wegen der hohen Betriebstemperatur von 600 bis 1.000 °C in der Lage, auch fossile Brennstoffe direkt als Wasserstoff-Lieferant zu nutzen. Die bestehende Infrastruktur für Erd- und Biogas, Heizöl oder Diesel kann daher flexibel weiter genutzt werden – ein großer Vorteil bei der Einführung der energieeffizienten Technologie.

Der Markt ist jung und wächst: In Japan sind heute mehr als zehntausend Heiz-Brennstoffzellen in Betrieb, in deutschen Eigenheimen rund 600. Seit 2008 werden ihre Leistungsdaten im Feldtest-Projekt „Callux” kontinuierlich ausgewertet. Schon mit der dritten Generation der Geräte konnte der elektrische Wirkungsgrad auf 30 bis über 60 Prozent gesteigert werden, der Gesamtwirkungsgrad liegt zwischen 90 und 98 Prozent. Zugleich sanken die Stückpreise um 60 und die Wartungskosten um 90 Prozent. „Die Performance moderner SOFCs ist beeindruckend”, sagt Dr.-Ing. Mihails Kusnezoff, Spezialist für Energiesysteme am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden. „Doch die Materialien der Zelle werden wegen der hohen Temperatur und Luftfeuchtigkeit stark strapaziert. Insbesondere die Fügetechnologie ist entscheidend, um über Jahre die hohe Effizienz der Brennstoffzelle zu erhalten.”

Als Material der Wahl kommt hier spezielles Glas zum Einsatz. Beim Schmelzen geht es mit dem oxidkeramischen Elektrolyt und dem Metall des Zellgehäuses eine dauerhaft hermetische Verbindung ein. So wird sichergestellt, dass es nicht zum unkontrollierten Gasaustausch kommt. Zudem werden die Interkonnektoren der in Reihe geschalteten Zellen im sogenannten „Stack” mit alkalifreiem Glas auch bei hohen Temperaturen elektrisch isoliert. SCHOTT ist ein weltweit führender Entwickler und Hersteller von Einschmelzgläsern. Zu feinem Pulver vermahlen, wird das Spezialglas mithilfe eines organischen Bindemittels aufgebracht. Aus dem großen Sortiment an Standardgläsern und kundenspezifischen Lösungen wird das Lot exakt auf die Wärmeausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Metalle und Keramiken abgestimmt, um spannungsfreie Hermetizität auch bei Temperaturwechseln zu gewährleisten.

„Die hohe Betriebstemperatur der SOFC stellt eine besondere Herausforderung dar, denn ab 500 °C werden viele Gläser weich und elastisch”, erklärt Dr. Jens Suffner, Produktentwickler bei SCHOTT Electronic Packaging in Landshut. „Wir nutzen daher speziell abgestimmte Gläser mit definierten kristallinen Phasen, die sich aufgrund ihres höheren Ausdehnungskoeffizienten bei steigender Temperatur ausdehnen und dafür sorgen, dass die Masse gasdicht und wie zähflüssiger Honig an Ort und Stelle verbleibt.”

Bei der Forschung ist man ganz vorne dabei: Beim Projekt „SOFC20” war SCHOTT Partner bei der erfolgreichen Entwicklung des Systemdemonstrators für eine „Hot box” mit 5 kW elektrischer Leistung bei über 50 Prozent elektrischem Wirkungsgrad. Beim EU-Projekt „Endurance” werden zudem gemeinsam mit internationalen Partnern optimierte Materialien sowie Analyse- und Fertigungsmethoden für die nächste Generation von Brennstoffzellen-Stacks mit großer Lebensdauer entwickelt. Doch nicht nur in der EU sieht man in der Brennstoffzelle einen wichtigen Beitrag zur künftigen Energieversorgung. In Japan, den USA, Südkorea und weiteren Staaten nehmen die Forschungsaktivitäten seit Jahren rapide zu. Die Investitionen in die Energieeffizienz werden massiv ausgebaut. Denn der weltweite Energiehunger wächst – um rund 40 Prozent bis 2035, schätzt BP in einer aktuellen Studie.

So funktioniert die Hochtemperatur-Brennstoffzelle

Wenn Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) reagiert, wird Energie freigesetzt. Um sie nutzbar zu machen, muss die sogenannte „kalte Verbrennung” kontrolliert stattfinden. Bei der Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) trennt ein oxidkeramischer Elektrolyt als Membran das Gas an der Kathode (O2) von dem an der Anode (H2 oder beispielsweise Methan CH4 aus Biogas). Nur die negativ geladenen Sauer­stoff-Ionen lässt er bei hoher Temperatur passieren. Sie verbinden sich auf der Anoden-Seite mit Wasserstoff-­Ionen zu Wasser, der Kohlenstoff oxidiert zu CO2. Die Elektronen hingegen leitet man über einen elektrischen Verbraucher, den sie mit elektrischem Strom versorgen. Im Projekt SOFC20 wurde mit Beteiligung von SCHOTT ein elektrischer Wirkungsgrad von 50 Prozent erzielt. Die Abwärme der Hochtemperaturbrennstoffzelle nutzt man zur Wärmeversorgung.

Quelle: SCHOTT/A. Schneiderwind

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SCHOTT Electronic Packaging forscht intensiv an der Entwicklung neuer und leistungsfähiger Gläser. Unter Verwendung von flüssigem Stickstoff werden beispielsweise die spezifischen Oberflächen von Glaspulvern bestimmt. Die untenstehende Grafik zeigt den Herstellprozess von Einschmelzgläsern für Brennstoffzellen. Foto: SCHOTT/H.-J. Schulz

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Hochtemperatur-Brennstoffzellen bestehen heute meist aus flachen galvanischen Zellen, die zu sogenannten „Stacks” gestapelt werden, um eine höhere Energieleistung zu erzielen. Die hermetische Abdichtung der Stack-Komponenten mit Glas- oder Glaskeramik-Loten von SCHOTT stellt eine Grundvoraussetzung dar, um die Leistungsfähigkeit des Systems über lange Zeiträume sicherzustellen. Foto: SCHOTT/H.-R. Schulz

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