Die Kraftquellen

Dank Jülicher Forschung werden Brennstoffzellen kostengünstiger und leistungsfähiger.

Durch Pipelines strömt der Wasserstoff hin zu Blockheizkraftwerken und Tankstellen. LOHC-Laster versorgen kleine Orte, die nicht an die Leitungssysteme angeschlossen sind. Um das Maximum der gespeicherten Energie wieder freizusetzen, kommen Brennstoffzellen zum Einsatz. Sie erzeugen Strom aus dem Wasserstoff. Dazu benötigen sie zusätzlich Sauerstoff, als Abgas entsteht lediglich Wasser. In den Blockheizkraftwerken erzeugen sie Strom für Wohnsiedlungen, wobei die dabei anfallende Wärme ebenfalls genutzt wird. Das erhöht den Wirkungsgrad. In Fahrzeugen treiben die Brennstoffzellen Motoren an.

Für Blockheizkraftwerke (BHKW) besonders gut geeignet sind sogenannte SOFC-Brennstoffzellen. SOFC steht für Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-Brennstoffzelle). Dieser Typ wandelt den Wasserstoff äußerst effizient in Strom um. Da SOFC-Brennstoffzellen in BHKW im Dauerbetrieb laufen können, entfällt ein häufiges Hochfahren der Anlage auf die notwendige Betriebstemperatur von rund 700 Grad Celsius, das Energie kostet und die Materialien belastet. Damit sich Brennstoffzellen wirtschaftlich betreiben lassen, müssen sie möglichst lange halten. Jülicher Forschende haben mit einer selbstentwickelten SOFC-Brennstoffzelle bewiesen, dass solche Zellen im Dauereinsatz mehr als zehn Jahre einwandfrei funktionieren. „Das hätte anfangs aufgrund der hohen Betriebstemperatur und den sich daraus ergebenden Materialanforderungen kaum jemand gedacht“, sagt Prof. Ludger Blum vom IEK-14.

Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade und gelten als besonders wartungsarm. Die hohe Betriebstemperatur stellt aber auch große Anforderungen an die verbauten Materialien.

Jülicher Forschende haben darüber hinaus ein Festoxid-System im Labormaßstab entwickelt, das sie innerhalb von zehn Minuten hin- und herschalten können: zwischen einem Elektrolyse-Modus, in dem es mit Strom Wasserstoff produziert, und einem Brennstoffzellen-Modus, in dem es aus Wasserstoff Strom erzeugt. „Wenn man eine Anlage je nach Bedarf als Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle betreiben kann, braucht man statt zwei Anlagen nur eine, um vor Ort Elektrizität in Form von Wasserstoff zwischenspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt rückverstromen zu können. Das hilft, erhebliche Kosten zu sparen“, erläutert Blum. Solche reversiblen Zellen bieten sich zudem für einen Einsatz in abgelegenen Stationen auf Inseln oder Bergen an. Noch sinkt die Leistung der rever­siblen Zelle mit zunehmender Betriebszeit recht schnell – insbesondere im Elektrolyse-Modus. Aber die Forschenden arbeiten daran, das zu ändern. Sie sind zudem dabei, ihre Erkenntnisse aus dem Labormaßstab auf größere Anlagen zu übertragen.

Ein anderes Jülicher Team hat zusammen mit Forschenden der TU Wien die Leistungsdichte sogenannter metallgestützter SOFCs innerhalb von wenigen Jahren um mehr als 200 Prozent gesteigert. „Entscheidend war, dass wir die Struktur der elektrochemischen Funktionsschichten und die Zellarchitektur systematisch optimiert haben“, sagt Privatdozent Dr. Martin Bram vom IEK-1. Für metallgestützte SOFCs interessieren sich Autohersteller, die sie in Elektroautos als Range Extender („Reichweitenverlängerer“) einsetzen möchten, um damit laufend die Fahrzeugbatterie zu laden. Metallgestützte SOFCs sind für diesen Zweck besonders geeignet, weil sie Stößen und Vibrationen am Fahrzeugboden besser standhalten als die üblichen vollkeramischen Brennstoffzellen.