Fortschritt durch Abkühlung

Forscher in Boston habe eine neue Membran entwickelt, die Festoxid-Brennstoffzellen mit größerer Fläche und niedriger Betriebstemperatur ermöglicht.

Brennstoffzellen wird seit langem ein großes Potenzial für die saubere Energieversorgung von morgen zugesprochen. Zu den leistungsfähigsten Varianten gehören die so genannten Festoxid- Brennstoffzellen (SOFC), die in den kommenden Jahren in den Megawatt-Leistungsbereich vorstoßen und damit auch als industrielle Energiequelle interessant werden könnten. Bislang operieren sie bei Temperaturen zwischen 800 und 1000 Grad Celsius. Das Bostoner Start-up SiEnergy Systems hat nun gemeinsam mit Shiram Ramanathan von der Harvard University einen Prototypen für eine Mikro-SOFC vorgestellt, der bei nur 510 Grad arbeitet.

Die Kleinstzelle hat eine Energiedichte von 155 Milliwatt pro Quadratzentimeter und eine Leistung von 20 Milliwatt. Herzstück ist ein neuer Dünnschicht-Elektrolyt, der von einem Metallgitter stabilisiert wird (siehe Bild). Dank dieser Konstruktion und der niedrigeren Arbeitstemperatur könnten damit wesentlich leistungsfähigere Festoxid-Brennstoffzellen gebaut werden – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu ihrer kommerziellen Nutzung.

In SOFC laufen zwei chemische Reaktionen in einem Kreisprozess ab: An der Kathode, der elektrisch positiven Elektrode, wird Luftsauerstoff in negativ geladene Sauerstoffionen verwandelt – Chemiker sagen „reduziert“. Die hierfür nötigen Elektronen stammen aus der Oxidation des Brennstoffs an der Anode (der elektrisch negativen Elektrode).

Die Oxidation wiederum wird durch die Sauerstoffionen bewirkt, die durch eine keramische Elektrolyt-Membran wandern. Die an der Anode freiwerdenden Elektronen können die Membran hingegen nicht passieren und werden durch einen Stromkreis zur Kathode geleitet. Auf diesem Weg können sie elektrische Arbeit verrichten.

SOFC haben den Vorteil, dass sie verschiedene Brennstoffe nutzen können: nicht nur Wasserstoff, sondern auch Diesel oder Methangas. Generell bewegen sich die Sauerstoffionen umso schneller durch die Membran, je höher die Betriebstemperatur ist. Je dünner wiederum die Membran ist, desto geringer kann die Betriebstemperatur sein.

Die bisher verwendeten Elektrolyt-Membranen erlaubten allerdings nur geringe Baugrößen. „Das Problem ist, dass wenige hundert Nanometer dicke Elektrolyt-Filme in den Zyklen aus Erhitzung und Abkühlung leicht reißen“, sagt Harry Tuller, Materialwissenschaftler am MIT. Das liege daran, dass die verschiedenen Bestandteile der Membranen sich unterschiedlich stark ausdehnen oder zusammenziehen. „Wir und andere Gruppen haben versucht, den Elektrolytfilm mit Gerüsten zu verstärken, aber keinen Erfolg gehabt – jedenfalls nicht auf großen Flächen“, räumt Tuller ein.

SiEnergy und Ramanathan sei es nun erstmals gelungen, ein äußerst dünne Membran zu konstruieren, die größere Membranflächen ermögliche, lobt Tuller. Die neue Membran ist sowohl thermisch als auch mechanisch robuster als alle bisherigen Versuche. Sie besteht aus Yttrium-verstärktem Zirkoniumdioxid (YSZ) und ist nur 100 Nanometer dick. Gestützt wird sie von einem leitfähigen Gitter aus der keramischen Verbindung LSCF (La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3), das zugleich als Anode dient. Diese Konstruktion kombinieren die Forscher mit einer leistungsfähigen, sehr dichten Kathode, die Ramanathan zuvor entwickelt hat.

Der jetzige Prototyp, vorgestellt im Fachjournal Nature Nanotechnology, hat eine Fläche von 25 Quadratmillimetern, von denen 13,5 Quadratmillimeter aktiv nutzbar sind. Das klingt wenig, ist aber einige Hundert Mal größer als bisherige Elektrolyt-Membranen für Mikro-SOFC. Ramanathan ist zuversichtlich, dass sich die Technologie auf Membranflächen von mehreren Quadratzentimetern erweitern lasse.

Das Ganze sei noch ein Labor-Demo, gibt sich Vincent Chun, Geschäftsführer von SiEnergy, bescheiden. Seine Firma arbeite jetzt daran, die kleinen Einheiten zu großen Geräten zu integrieren sowie verschiedene Brennstoffe zu testen. Chun verspricht sich von dem hauchdünnen Elektrolytfilm vor allem niedrigere Kosten. Ziel sei, kompakte SOFC auf den Markt zu bringen, die erst einmal Dieselgeneratoren und andere stationäre Stromerzeuger für den Hausgebrauch ersetzen können.

Das Paper:
Tsuchiy, Masaru et al.: „Scalable nanostructured membranes for solid-oxide fuel cells“, Nature Nanotechnology, Online-Veröffentlichung, 3.4.2011 (Abstract) (nbo)