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StartseiteForschung aktuellBrennstoffzelle besteht Langzeittest05.06.2019

EnergiewandlerBrennstoffzelle besteht Langzeittest

Brennstoffzellen sind zwar noch nicht allzu weit verbreitet. Sie gelten aber als besonders effiziente Energiewandler. Am Forschungszentrum Jülich ist es jetzt gelungen, die Langzeittauglichkeit einer sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzelle unter Beweis zu stellen.

Von Leopold Hock

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(Leopold Hock)
In der aus mehreren Komponenten aufgebauten Brennstoffzelle wird chemische in elektrische Energie umgewandelt. (Leopold Hock)
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Auf einem Tisch in einer Werkshalle im Forschungszentrum Jülich liegen verschiedene Modelle und Einzelteile von Brennstoffzellen. Norbert Menzler und Ludger Blum vom Institut für Energie- und Klimaforschung zeigen mir drei unscheinbare Metallplatten. Sie sind kleiner als ein DIN A5-Blatt und nur wenige Millimeter dick. Eine davon speichert gasförmigen Wasserstoff, die zweite hat kleine Kanäle für die Luftzufuhr. Dazwischen kommt die dritte Platte.

"Die grüne Platte hier in der Mitte ist die eigentliche Brennstoffzelle. Da sieht man, die hat zwei Seiten, eine grüne und eine schwarze. Das ist einmal die Luft- und einmal die Brenngaselektrode."

In einer kontrollierten Knallgasreaktion entstehen Strom und Wärme

In der Brennstoffzelle reagiert der Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft. In einer kontrollierten Knallgasreaktion entsteht dabei Strom und Wärme. Die Brennstoffzellen am Forschungszentrum Jülich sind sogenannte Festoxidbrennstoffzellen, kurz: SOFCs. Sie heißen auch Hochtemperaturbrennstoffzellen, weil im Betrieb Temperaturen von 650 bis 800 Grad Celsius entstehen. Diese Hitze hat den Vorteil, dass das Material elektrisch leitfähiger ist. Dadurch steigt der Wirkungsgrad – und zwar auf über 60 Prozent. Der Haken dabei:

"Klar machen die hohen Temperaturen spezielle Anforderungen. Das heißt, man braucht spezielle Stähle für die hohen Temperaturen, Glaskeramik für die Dichtungen und eben die keramischen Bauteile wie speziell die Zelle, die dann eben die hohen Temperaturen auch aushalten können."

Dass sie diese Herausforderungen in den Griff bekommen haben, konnten die Forscher jetzt in einem Langzeitversuch zeigen. Über 100.000 Stunden, also rund elf Jahre lang, haben sie jetzt einen Stapel aus Festoxidbrennstoffzellen betrieben. Die Zellen haben während des ganzen Versuchs kontinuierlich Strom geliefert. Und zwar insgesamt rund 4.600 Kilowattstunden – genug, um den Bedarf eines Einfamilienhaushaltes für ein Jahr zu decken.

Ludger Blum: "Das ist der Stack, der jetzt elfeinhalb Jahre in Betrieb war."

Leopold Hock: "Also…das ist…das sieht aus wie eine kleine schwarze Schiefertafel. Ungefähr 25 Zentimeter mal elf, zwölf oder so."

Das Metall dieser Zellen glänzt jetzt nicht mehr silbern wie bei den Modellen in der Werkshalle. Stattdessen ist es schwarz gefärbt - eine natürliche Folge der Oxidation. Davon abgesehen sind von außen keine Abnutzungserscheinungen zu erkennen.

Deswegen wollen die Forscher das Mini-Kraftwerk jetzt auseinandernehmen und untersuchen. Vor allem möchten sie herausfinden, warum die elektrische Leistung im Lauf des Versuchs um 50 Prozent eingebrochen ist. Besonders groß war der Leistungsverlust während der ersten 40.000 Stunden, danach ging es nur noch langsam und linear bergab.

"Das vermuten wir, ist einfach, weil diese Oxidschicht auf dem Stahl, die wächst ja weiter. Das ist zwar ein vernünftiger Leiter, aber trotzdem ist er schlechter als der Rest. Weil das so linear ist in den letzten 60 000 Stunden, nehmen wir einfach an, dass das ein bisschen Widerstandszunahme von der Oxidation ist."

Leistungseinbruch in der ersten Versuchshälfte

Anders sah es aber während der ersten Versuchshälfte aus: Hier brach die Leistung schon innerhalb einiger tausend Stunden um fast die Hälfte ein. Der Grund dafür ist den Ingenieuren noch nicht klar.

"Wir hätten am liebsten jetzt fünf so Bauteile, die wir zu verschiedenen Zeiten uns angeguckt hätten, dann könnten wir vielleicht sagen, warum der zu bestimmten Zeiten so unterschiedlich gealtert ist."

Sie sind aber zuversichtlich, dass sie der Ursache auf die Spur kommen.

"Das müssen wir jetzt halt daraus lernen und vergleichen mit anderen Stacks, die weniger lang gelaufen sind, aber auch andere Effekte, andere Materialien hatten, um dann die optimale Kombination herauszufinden. So dass es auch in den ersten 50.000 Stunden weniger altert."

Technik mit Potenzial

Wenn die Forscher Erfolg und die "optimale Kombination" gefunden haben, könnten hocheffiziente Festoxidbrennstoffzellen künftig in verschiedensten Bereichen zum Einsatz kommen, sagt Ludger Blum. Denn die Technik hat Potenzial.

"Also bei Hausenergie ist es quasi schon in der Markteinführung, da kann man das sagen. Für andere Anwendungen, wo es auch in richtig große Leistungen geht, wird es sicherlich noch eine Zeit in Anspruch nehmen. Aber ich denke auch, in den nächsten fünf bis zehn Jahren, auch aus der ganzen Umweltdiskussion heraus, muss da was passieren."

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