Festoxidbrennstoffzelle

Grundprinzip und Funktionsweise

Die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, englisch „solid oxide fuel cell“) ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die vor allem aus Wasserstoff elektrische Energie gewinnt. Sie arbeitet je nach Typ bei 650 °C bis 1000 °C. Auch Erdgas, Biogas und Methan (CH₄) können genutzt werden, meist in Verbindung mit einer Dampfreformierung. Dabei entsteht ein Brenngasgemisch aus Wasserstoff (H₂) und Kohlenstoffmonoxid (CO). Die Reaktion erzeugt neben Gleichstrom auch Wärme und ist exotherm.

Der zentrale Festelektrolyt ist eine möglichst dünne, gasdichte Membran aus oxidkeramischem Material. Er leitet Sauerstoff-Ionen, ist aber ein Isolator für Elektronen. Auf beiden Seiten liegen gasdurchlässige elektronische Leiter: die Kathode auf der Luftseite und die Anode auf der Brenngasseite. Der vergleichsweise hohe Sauerstoffpartialdruck der Luft an der Kathode und der sehr geringe Sauerstoffpartialdruck im Brenngas an der Anode treiben die Sauerstoff-Ionen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode.

An der Kathode nimmt ein Sauerstoffmolekül vier Elektronen auf und zerfällt in zwei zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen. Diese wandern durch den Festelektrolyten. An der Anode reagieren sie mit Wasserstoffmolekülen; dabei entstehen Wasserdampf und vier freie Elektronen. Über einen äußeren Stromkreis fließen die Elektronen durch einen Verbraucher zurück zur Kathode. Voraussetzung ist ein geschlossener elektrischer Stromkreis zwischen Kathode, Elektrolyt, Anode und Verbraucher.

Die Kathodenreaktion lautet: O₂ + 4 e⁻ → 2 O²⁻

Die Anodenreaktion lautet: 2 O²⁻ + 2 H₂ → 2 H₂O + 4 e⁻

Die Gesamtreaktion lautet: O₂ + 2 H₂ → 2 H₂O

Neben Wasserdampf entsteht CO₂, wenn CO im Brenngas enthalten ist. Zwischen den Elektroden entsteht eine elektrische Gleichspannung, und durch den Verbraucher fließt Gleichstrom. Die hohen Temperaturen sind nötig, weil die Leitfähigkeit für Sauerstoff-Ionen erst oberhalb von 650 °C ausreichend groß ist.

Die Anordnung kann auch umgekehrt betrieben werden: Legt man von außen eine elektrische Spannung an, wird Wasserdampf bei hoher Temperatur elektrolysiert. Die Stromrichtung und die Wanderungsrichtung der Sauerstoff-Ionen kehren sich um; die Reaktionen laufen umgekehrt ab. Außerdem wird dieselbe Anordnung in Lambdasonden genutzt, um den Sauerstoffpartialdruck im Abgas von Verbrennungsmotoren zu messen. Dabei fließt kein nennenswerter Strom, aber entsprechend der Sauerstoff-Partialdruckdifferenz entsteht eine Spannung nach der Nernst-Gleichung.

Bauformen und Gasführung

Für technische Anwendungen wie dezentrale Stromgeneratoren und Blockheizkraftwerke müssen viele einzelne Zellen elektrisch verbunden werden. Dazu dienen Verbindungselemente, auch Interkonnektoren genannt. Eine einzelne Zelle besteht somit aus Kathode, Anode, Festelektrolyt und Verbindungselementen.

Man unterscheidet hauptsächlich röhrenförmige und planare Bauformen. Röhrenförmige SOFCs lassen sich vergleichsweise einfach zwischen Brenngas und Luft abdichten und können mechanische Spannungen beim Aufheizen und Abkühlen besser beherrschen. Diese Bauform wurde besonders bei früheren Entwicklungen, etwa von Siemens-Westinghouse, verwendet.

Planare Zellen, auch Flachzellengeometrie genannt, sind kompakter und benötigen bei gleicher Leistung weniger Bauvolumen. Deshalb werden sie inzwischen von den meisten Entwicklern bevorzugt. Sie stellen jedoch besonders hohe Anforderungen an mechanische Stabilität und Gasdichtigkeit bei wechselnden Betriebsbedingungen. Die Gaszufuhr und -abfuhr kann beispielsweise nach dem Prinzip eines Kreuzstromwärmetauschers angeordnet werden. Werden planare Zellen übereinander gestapelt, entsteht ein Brennstoffzellenstack.

Für Brenngas und Luft sind genau abgedichtete Verteilerkanäle erforderlich. Das Brenngas darf nicht unkontrolliert mit dem Sauerstoff der Luft reagieren. Auch die Abgase der Kathoden- und Anodenseite benötigen eigene Kanäle. Bei planaren Zellen sind dafür komplexere Bauformen notwendig als bei Röhrenzellen. Werden die Gaskanäle durch ein elektrisch leitendes Verbindungselement und ein elektrisch isolierendes Dichtungselement geführt, spricht man von interner Gasverteilung.

Reaktionspartner und Brennstoffe

Theoretisch können Brennstoffzellen jede ausreichend reaktionsfreudige Redox-Reaktion umsetzen, wenn die Ausgangsstoffe flüssig oder gasförmig sind. Feste Brennstoffe müssen zunächst oder innerhalb der Zelle in Flüssigkeiten oder Gase umgewandelt werden. Praktisch werden bei SOFCs vor allem Wasserstoff und Synthesegas verwendet. Als Oxidationsmittel dient der Sauerstoff der Luft.

Für Wasserstoff und Kohlenmonoxid gelten folgende Teilreaktionen:

• Anode: H₂ + O²⁻ → H₂O + 2 e⁻; dabei findet Oxidation und Elektronenabgabe statt.
• Anode: O²⁻ + CO → CO₂ + 2 e⁻; ebenfalls Oxidation und Elektronenabgabe.
• Kathode: O₂ + 4 e⁻ → 2 O²⁻; dabei findet Reduktion und Elektronenaufnahme statt.
• Gesamtreaktion für Wasserstoff: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.
• Gesamtreaktion für Kohlenmonoxid: 2 CO + O₂ → 2 CO₂.

Der innere Ladungstransport erfolgt durch O²⁻-Ionen. Die SOFC benötigt daher auf der Kathodenseite Sauerstoff und erzeugt an der Anode Wasser und/oder CO₂. Erdgas, Rohöldestillate und sogar Hackschnitzel können aufbereitet werden, um daraus geeignete Brenngase wie Wasserstoff oder Synthesegas zu gewinnen.

Methan wird üblicherweise zuerst zu Synthesegas reformiert. Ein direkter Betrieb mit Methan verursacht Probleme durch die Pyrolyse von CH₄ und dadurch entstehende Kohlenstoffablagerungen. Die theoretische Direktreaktion lautet:

CH₄ + 4 O²⁻ → 2 H₂O + CO₂ + 8 e⁻ an der Anode, 2 O₂ + 8 e⁻ → 4 O²⁻ an der Kathode, CH₄ + 2 O₂ → 2 H₂O + CO₂ als Gesamtreaktion.

Es gibt außerdem SOFCs, die Ammoniak als Brennstoff nutzen.

Materialien und technische Herausforderungen

Die Entwicklung verfolgt drei übergeordnete Ziele: einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad, einen stabilen Betrieb über viele Jahre mit möglichst geringem Wirkungsgradverlust und begrenzte Kosten.

Der häufigste Festelektrolyt ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), meist Zirkonoxid mit 8 oder 9 Molprozent Yttriumoxid. Ersetzt man einen Teil der vierwertigen Zirkonium-Ionen (Zr⁴⁺) durch dreiwertige Yttrium-Ionen, entstehen Sauerstoffleerstellen im Kristallgitter. Durch diese kann der Sauerstoff-Ionen-Strom fließen. Bei 1000 °C beträgt die spezifische Leitfähigkeit 0,1 S/cm, bei 800 °C nur noch 0,02 S/cm. Deshalb sind bei 800 °C Elektrolytdicken von weniger als 0,1 mm nötig, damit der ohmsche Widerstand begrenzt bleibt.

Untersucht werden auch andere Elektrolyte. Mit Scandiumoxid (Sc₂O₃) dotiertes ZrO₂ besitzt eine besonders hohe Ionenleitfähigkeit, ist wegen der extrem hohen Kosten von Sc₂O₃ jedoch problematisch. Gadoliniumdotiertes Ceroxid (GDC) erreicht bei 800 °C eine elektrische Leitfähigkeit von 0,1 S/cm und ermöglicht niedrigere Betriebstemperaturen, bei denen metallische Verbindungselemente eingesetzt werden können. GDC besitzt im reduzierenden Brenngas allerdings eine Mischleitfähigkeit für Ionen und Elektronen. Zur Vermeidung von Wirkungsgradverlusten sind daher dünne elektronenblockierende Schichten oder eine angepasste Anode nötig. Das ebenfalls aussichtsreiche, mit Strontium und Magnesium dotierte Lanthangalliumoxid LSGM gehört zu den Perowskit-Elektrolyten mit der allgemeinen Formel ABO₃. Für den technischen Einsatz sind weitere Entwicklungsarbeiten erforderlich.

Elektroden müssen gut am Elektrolyten haften, porös und gasdurchlässig sein, chemisch stabil bleiben, einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Elektrolyt besitzen, elektronisch gut leiten und katalytisch wirksam sein. Bei YSZ-Elektrolyten wird als Kathode klassisch Lanthan-Strontium-Manganit (LSM) eingesetzt, bei Ceroxid-Elektrolyten häufig Lanthan-Strontium-Cobaltit (LSC) oder Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit (LSCF). Für Temperaturen von 500–700 °C werden unter anderem Samarium-Strontium-Kobaltit (SSC) und Barium-Strontium-Cobalt-Ferrit (BSCF) untersucht. Als Anode dient bei YSZ meist ein Nickel/YSZ-Verbundwerkstoff, bei GDC ein Nickel/GDC-Verbund. Nickel sorgt für Leitfähigkeit und katalytische Aktivität und unterstützt bei Erdgas oder Biogas zusätzlich die Dampfreformierung.

Technische Probleme entstehen durch elektrische Verluste, chemische und mechanische Belastungen sowie die hohen Kosten. Zu den elektrischen Verlusten gehören ohmsche Verluste durch den spezifischen Widerstand und elektrochemische Polarisationsverluste an den Grenzflächen. Alle Bauteile müssen über Jahre gegen Oxidation, Korrosion, Risse und Kriechen beständig sein. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und Temperaturunterschiede erzeugen mechanische Spannungen; beim Aufheizen und Abkühlen können dadurch Undichtigkeiten entstehen. Besonders im Temperaturbereich von 900 bis 1000 °C ist die geforderte Langzeitbeständigkeit schwer zu erreichen. Bei niedrigeren Temperaturen müssen die elektrischen Verluste beispielsweise durch sehr dünne oder besonders ionenleitfähige Elektrolyte verringert werden.

Verbindungselemente, Wirkungsgrad und Entwicklung

Interkonnektoren müssen elektronisch gut leiten, thermisch und chemisch beständig sein und einen zum Elektrolyten passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Für YSZ mit 8 % Yttriumoxid beträgt dieser im Bereich 30 °C–900 °C 10,3·10⁻⁶/°C; für GDC mit 10 % Gadoliniumoxid 12,1·10⁻⁶/°C.

Bei etwa 1000 °C kommen dotierte keramische Oxide mit Perowskitstruktur infrage, besonders Strontium- oder Calcium-dotiertes Lanthanchromit. Keramische Interkonnektoren sind jedoch teuer und mechanisch weniger fest. Bei etwa 800–900 °C eignen sich Chromwerkstoffe, beispielsweise die Legierung CFY mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 10,8·10⁻⁶/°C. Chromhaltige Verbindungen dürfen im Langzeitbetrieb nicht in die Gasphase gelangen, da sie die Elektroden beeinträchtigen können; deshalb werden Schutzschichten aufgetragen. Unterhalb von 800 °C verwendet man hochchromhaltige ferritische Stähle, nicht aber austenitische Stähle mit zu hohem Ausdehnungskoeffizienten. Auch diese Stähle erhalten überwiegend oxidische Schutzschichten.

Der elektrische Wirkungsgrad kann bis zu 65 % betragen und steigt mit der Betriebstemperatur, während zugleich Materialstabilität, Dichtigkeit und Lebensdauer schwieriger werden. Der Wirkungsgrad ist praktisch begrenzt, weil eine hohe Stromdichte eine ausreichende Brennstoffzufuhr und Abgasabfuhr verlangt. Brenngase und Reaktionsprodukte entstehen an denselben Stellen, sodass eine Vermischung schwer vermeidbar ist. Ein Teil des Brenngases verlässt die Zelle deshalb unverbrannt, wodurch nutzbare Energie verloren geht. Die Abwärme kann genutzt werden; bei einem im Artikel genannten SOFC-System fällt sie mit über 350 °C an.

Erste erfolgreiche SOFC-Prototypen wurden von Westinghouse Power Corporation, heute Siemens Power Generation, in den späten 1980er Jahren nachgewiesen. Sie erreichten schließlich 25 kW Leistung und 70 000 Betriebsstunden. Nach 1995 nahmen die weltweiten Forschungsarbeiten stark zu; in 30 Jahren entstanden etwa 30 000 Veröffentlichungen. IT-SOFCs erlauben Betriebstemperaturen von maximal 800 °C, wodurch Metallteile und Metallträger mit dünnen Schichten aus Kathode, Elektrolyt und Anode eingesetzt werden können. Davon werden höhere Robustheit und niedrigere Herstellungskosten erwartet.

Im Jahr 2026 bezeichnet sich die Bloom Energy Corporation aus den USA nach eigenen Angaben als global führendes Unternehmen für SOFC-Systeme. Ihre Erdgasmodule erreichen 53 % bis 65 % elektrischen Wirkungsgrad bei 325 kW Wechselstrom. 350-kW-Aggregate können zu netzunabhängigen Einheiten im 10-MW-Bereich verschaltet werden. Reversibel betriebene SOFCs, sogenannte SOECs, ermöglichen im Power-to-Gas-Prozess Strom-zu-Strom-Wirkungsgrade bis etwa 70 %; dabei kann Wasserstoff als Energiespeicher gewonnen werden.