Brennstoffzelle im Dauerlauf

Sie läuft und läuft und läuft. Mit 25.000 Stunden hat die Jülicher Hochtemperatur-Brennstoffzelle im Juni 2010 einen neuen Langlauf-Weltrekord erreicht. Gute Voraussetzungen, um künftig nicht nur Autos oder Laptops mit Strom zu versorgen, sondern auch Eigenheime und industrielle Prozesse. Denn Brennstoffzellen sind heiße Kandidaten für eine künftige, auch stärker dezentrale Energieversorgung. Sie haben hohe elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent und stoßen keine schädlichen Abgase aus. „Für die durchschnittlich 5.000 Stunden währende Lebensdauer eines Automotors sind Brennstoffzellen schon gerüstet, aber im Haushalt oder für industrielle Anwendungen sind häufig Lebensdauern von über 40.000 Stunden erwünscht und das erreichen sie noch nicht“, sagt Dr. Robert Steinberger-Wilckens, Leiter des Projekts Brennstoffzelle am Forschungszentrum Jülich.

Brennstoffzellen gewinnen elektrischen Strom aus der Ladungstrennung von Wasserstoff und Sauerstoff an speziell beschichteten Elektroden und der anschließenden Reaktion des positiv geladenen Wasserstoffs mit dem negativ geladenen Sauerstoff zu Wasser. Ähnlich wie eine Batterie büßen auch diese elektrochemischen Energiewandler mit der Zeit an Leistungsfähigkeit ein, unter anderem weil die Reaktionsfreudigkeit der Oberflächen nachlässt. Am Forschungszentrum Jülich wird an Brennstoffzellen geforscht, die bei hohen Temperaturen arbeiten. Dabei ist der Elektrolyt nicht flüssig, sondern besteht aus einer keramischen Membranschicht zwischen den Elektroden. Sie lässt die negativ geladenen Sauerstoffteilchen erst bei Temperaturen von 600 bis 1.000 Grad Celsius von der einen zur anderen Elektrode passieren. Die Hochtemperaturzellen haben höhere Wirkungsgrade und die hohen Temperaturen lassen sich mit Hilfe von Kraft-Wärme-Kopplung für weitere Prozesse nutzen. Außerdem können sie mit verschiedenen Brennstoffen – neben Wasserstoff auch Erdgas oder Biogas – betrieben werden. „Allerdings bringt die hohe Temperatur auch einige Herausforderungen mit sich, denn die Materialien altern schneller“, sagt Steinberger-Wilckens. Zum Beispiel büßt die Keramik-Membran an Leitfähigkeit für Sauerstoff ein, weil sich die Kristallstruktur langsam verändert. Und die so genannten metallischen Interkonnektoren, die mehrere Zellen zu einem leistungsfähigeren Stack verbinden, oxidieren leichter und können Material abdampfen, das sich in den reaktiven Schichten ablagert und diese verstopft.

Um das zu verhindern, haben die Jülicher Forscher die Materialien entscheidend verbessert und damit die Voraussetzungen für ihren Langlaufrekord gelegt. Dank neu entwickelter Keramiken konnte die Betriebstemperatur gesenkt werden. Das wiederum erlaubt es, billigeren Stahl für die Interkonnektoren einzusetzen. In enger Kooperation mit Industriepartnern wurden zwei Spezialstähle entwickelt, die die Zelle in Kombination mit optimierten Schutzschichten wesentlich robuster machen. Außerdem haben sie das gleiche Ausdehnungsverhalten wie Keramik, so dass beim Aufheizen nur geringe mechanische Spannungen entstehen. „Der Leistungsgewinn ist deutlich und ein großer Schritt in Richtung Anwendung“, resümiert Steinberger-Wilckens.

Soll die Brennstoffzelle tatsächlich einmal eine Hauptrolle bei der Energieversorgung spielen, so muss nicht nur der Betrieb reibungslos funktionieren. Es gilt auch, die Versorgung mit Brennstoff zu sichern. Hierfür kommen Wasserstoff aber auch Methan aus Erdgas, Biogas, Klär- oder Deponiegas oder Dieselreformate in Frage. Als Hauptproblem erweisen sich die Speicherung des Wasserstoffs und der (Energie-) Aufwand bei der Herstellung des Brennstoffs.

Während PKWs künftig gänzlich mit Wasserstoff fahren könnten, werden viele LKWs, Schiffe oder Flugzeuge auf absehbare Zeit weiter mit fossilen Kraftstoffen angetrieben. Allerdings bieten sich Brennstoffzellen als effiziente Alternative zu Lichtmaschinen oder Generatoren an, um den Bordstrom für Kühlaggregate, Klimaanlagen oder die Bordelektronik zu liefern.

Hierfür können sie auch mit den bereits vorhandenen Kraftstoffen betrieben werden. Schlüssel dafür ist ein so genannter Reformer, der aus LKW-Diesel oder Kerosin ein wasserstoffhaltiges Gas als Brennstoff für die Brennstoffzellen erzeugt.

Jülicher Forscher um Dr. Ralf Peters haben dafür einen besonders effektiven und langlebigen Reformer entwickelt. Der Trick: Diesel wird in sehr feinen Tröpfchen in eine speziell geformte Kammer gesprüht und mit heißem Wasserdampf und Luft vermischt, bevor er – wie bei einem Autokatalysator – über eine reaktive Oberfläche geleitet wird, wo er sich in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zerlegt. Um die Wasserstoffausbeute zu optimieren, haben die Forscher das komplexe Strömungsverhalten am Jülicher Supercomputer berechnet und so den innovativen Reformer entwickelt. Denn erst in Kombination mit solchen Elementen können Brennstoffzellen ihre vielseitigen Talente entfalten.