Die Festoxidbrennstoffzelle basiert auf einem elektrochemischen Hochtemperaturprozess, mit dem aus Wasserstoff elektrische Energie gewonnen wird. Sie wird bei Temperaturen zwischen 650 °C und 1000 °C betrieben und hat deshalb einen besonders hohen Wirkungsgrad. Erdgas, Biogas, oder Methan (CH4) können in Kombination mit einer Dampfreformierung, bei der eine Mischung aus Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) erzeugt wird, ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt werden. Die englische Abkürzung SOFC (für solid oxide fuel cell) ist auch in der deutschsprachigen Literatur üblich. Gelegentlich werden außerdem die Bezeichnungen Oxidkeramische Brennstoffzelle oder Hochtemperaturbrennstoffzelle verwendet.
Prinzip Charakteristisch für diesen Brennstoffzellentyp ist, dass der Elektrolyt aus einem Festkörper besteht und zwar aus einem oxidkeramischen Material, das in der Lage ist, Sauerstoff-Ionen zu leiten, aber für Elektronen einen Isolator darstellt. Viele Festoxidbrennstoffzellen-Projekte sind noch in der Entwicklung, einige wenige sind schon am Markt.Development status and future prospects for residential and commercial use of SOFC systems (englisch), Minoru Suzuki von der Firma Osaka Gas Co. Ltd. - SOFC Hersteller sind beispielsweise die Firma Osaka Gas Co. Ltd. selbst, in Japan, sie macht eine 700 Watt SOFC, die Firma Ceres Power, GB, ebenfalls 700 Watt, die Firma SolydEra, Italien/Deutschland, mit einem 1500 Watt SOFC System, oder die Firma Bloom Energy, USA, ein 100 kW Gerät.Alberto Varone, Michele Ferrari, Power to liquid and power to gas: An option for the German Energiewende. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 45, (2015), 207–218, S. 209, doi:10.1016/j.rser.2015.01.049.
mini|Schema der Festoxidbrennstoffzelle Der Elektrolyt hat die Gestalt einer möglichst dünnen, gasdichten Membran, durch die Sauerstoff-Ionen verlustarm transportiert werden können. Hierzu sind hohe Temperaturen notwendig, da die Leitfähigkeit für Sauerstoff-Ionen erst oberhalb von 650 °C ausreichend hoch ist. Auf beiden Seiten des Elektrolyts sind gasdurchlässige elektronische Leiter als Kathode und Anode angebracht. Die Kathodenseite ist von Luft umgeben, die Anodenseite von Brenngas.
Die Funktion dieser galvanischen Zelle beruht auf einer Redoxreaktion, bei der Reduktion und Oxidation räumlich getrennt ablaufen, und zwar an den jeweiligen Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt. Bei der SOFC ist diese Redox-Reaktion eine Reaktion von Sauerstoff mit einem Brenngas. Häufig handelt es sich bei dem Brenngas um Wasserstoff, der mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasserdampf reagiert.
Auf der Kathodenseite herrscht durch die Anwesenheit von Luft ein vergleichsweise hoher Sauerstoffpartialdruck (d. h. hohe Sauerstoffkonzentration), während auf der Anodenseite im Brenngas nur ein vernachlässigbar geringer Sauerstoffpartialdruck zustande kommt. Dieser Partialdruckunterschied ist die Ursache dafür, dass sich die Sauerstoff-Ionen im Festelektrolyt von der Kathodenseite zur Anodenseite bewegen. Voraussetzung hierfür ist, dass Kathode, Elektrolyt und Anode mithilfe elektrischer Leitungen einen geschlossenen Stromkreis mit einem Verbraucher bilden. Hat das Sauerstoffmolekül (O2) die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt erreicht, zerfällt es unter Aufnahme von vier Elektronen in zwei jeweils zweifach-negativ geladene Sauerstoff-Ionen, die durch den Festelektrolyt zur Anode driften. An der Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche reagieren die Sauerstoff-Ionen mit den Wasserstoffmolekülen des Brenngases, wobei Wasserdampf und vier freie Elektronen erzeugt werden. Die elektrochemischen Reaktionen werden durch diese Formel beschrieben:
Kathodenseite: O2 + 4 e− → 2 O2-
Anodenseite: 2 O2- + 2 H2 → 2 H2O + 4 e−
Gesamtreaktion: O2 + 2 H2 → 2 H2O
Neben dem Reaktionsprodukt Wasserdampf (und CO2 falls CO im Brenngas enthalten ist) entsteht zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Gleichspannung und es fließt ein Gleichstrom zum elektrischen Verbraucher. Da die Brennstoffzellenreaktion exotherm abläuft, wird gleichzeitig zur Stromgewinnung auch Wärme freigesetzt.
Der elektrische Wirkungsgrad, der die erzeugte elektrische Energie in Bezug zur chemischen Energie des verbrauchten Brenngases setzt, kann bis zu 65 % betragen. Damit übertrifft die Festoxidbrennstoffzelle konventionelle Stromgeneratoren, die Diesel oder Erdgas verbrennen, bei Weitem. Der elektrische Wirkungsgrad hängt von der Betriebstemperatur ab: Er wird höher mit steigender Temperatur, aber genau so nehmen die technischen Probleme zu betreffend Stabilität der verwendeten Materialien, Dichtigkeit und insbesondere die Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellensystems.
Man kann die Komponenten der Festoxidbrennstoffzelle auch verwenden, um bei hohen Temperaturen Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasserdampf zu gewinnen. Hierzu wird von außen ein elektrische Spannung angelegt, die die Stromrichtung (gegenüber der Brennstoffzelle) umkehrt und die Sauerstoff-Ionen in die entgegengesetzte Richtung driften lässt. Die oben beschriebenen elektrochemischen Reaktionen laufen dann in umgekehrter Richtung ab.
Dieselbe Anordnung von Kathode, Elektrolyt und Anode wird in Lambdasonden verwendet, um den Sauerstoffpartialdruck im Abgas von Verbrennungsmotoren zu messen. Ein nennenswerter Strom fließt nicht, jedoch ergibt sich eine elektrische Spannung gemäß der Nernst-Gleichung in Abhängigkeit von der Sauerstoff-Partialdruckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Festelektrolyten.
Bauformen mini|299x299px|Röhrenförmige Festoxidbrennstoffzelle mit Interkonnektor Für eine technische Anwendung z. B. in dezentralen Stromgeneratoren oder Blockheizkraftwerken muss eine sehr große Anzahl einzelner Zellen elektrisch verbunden werden. Hierzu dienen Verbindungselemente – auch Interkonnektoren genannt –, die neben Kathode, Anode und Elektrolyt zu jeder Einzelzelle gehören.
Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen röhrenförmigen und planaren Bauformen. Die röhrenförmige Bauform (siehe nebenstehende Abbildung) bietet Vorteile hinsichtlich der Abdichtung zwischen Brenngas und Luft sowie bei der Beherrschung mechanischer Spannungen beim Aufheizen und Abkühlen. Sie wurde insbesondere bei früheren Entwicklungen z. B. von der Firma Siemens-Westinghouse bevorzugt. mini|302x302px|Planare Festoxidbrennstoffzelle mit Verbindungselement Die planare Bauform (auch Flachzellengeometrie genannt) ist vergleichsweise kompakter und ermöglicht es, bei gleicher Leistung weniger Bauvolumen zu beanspruchen. Sie wird inzwischen von den meisten Entwicklern bevorzugt, obwohl sie besonders hohe Anforderungen an die mechanische Stabilität und die Gasdichtigkeit unter wechselnden Betriebsbedingungen stellt. Die Gaszufuhr und -abfuhr kann wie bei einem Kreuzstromwärmetauscher ausgeführt werden (siehe nebenstehende Explosionszeichnung); weitere geometrische Varianten sind möglich. Wenn diese Zellen übereinander gestapelt werden, erhält man einen sogenannten Brennstoffzellenstack.
Um die einzelnen Zellen mit Brenngas auf der Kathodenseite und Luft auf der Anodenseite zu versorgen, benötigt man spezielle Verteilerkanäle. Diese Kanäle müssen genau so gasdicht sein wie die einzelnen Zellen, damit das Brenngas nicht unkontrolliert mit den Luftsauerstoff reagiert. Für die Abgase der Kathoden- und Anodenseite sind ähnlich gestaltete Abgaskanäle mit den Zellen zu verbinden. Während dies bei rohrförmigen Brennstoffzellen wegen der vergleichsweise geringen Packungsdichte einfach ist, müssen bei planaren Zellen komplexe Bauformen realisiert werden.
mini|305x305px|Festoxidbrennstoffzelle mit interner Gasverteilung Die nebenstehende Abbildung zeigt eine mögliche Variante, wie diese bei planaren Zellen mit Kreuzstrom-Gasführung gestaltet werden kann. Zusätzlich zum elektrisch leitenden Verbindungselement ist ein elektrisch isolierendes Dichtungselement erforderlich. Wenn die Gaskanäle – wie hier gezeigt – durch das Verbindungselement und das Dichtungselement geführt werden, spricht man von interner Gasverteilung.
Technische Herausforderungen Die Herausforderungen ergeben sich aus folgenden drei übergeordneten Zielen:
Möglichst hoher elektrischer Wirkungsgrad stabiler Betrieb über viele Jahre (mit minimalem Wirkungsgradverlust) Begrenzung der Kosten (zur Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit am Markt).
Für einen maximalen Wirkungsgrad sind die elektrischen Verluste der Zellen und ihre Verbindungen zu minimieren; das sind zu einem die ohmschen Verluste basierend auf dem spezifischen Widerstand der Materialien und zum anderen die elektrochemischen Polarisationsverluste an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Festelektrolyt. Auf kostenaufwendige Edelmetalle wie z. B. Platin kann – im Gegensatz zu anderen elektrochemischen Verfahren – aufgrund der hohen Temperaturen verzichtet werden.
Die hohen Temperaturen, die je nach SOFC-Typ bis 1000 °C betragen, stellen für die aktiven Zellen, die Gasführungssysteme und die anderen Aggregate eine hohe Belastung dar. Alle Komponenten müssen über Jahre chemisch und mechanisch stabil sein, d. h. beispielsweise, dass keine Oxidation und Korrosion, keine Risse und kein Kriechen auftreten dürfen. Diese Anforderungen gelten insbesondere beim Aufheizen und beim Abkühlen für alle Fügestellen, da Undichtigkeiten im Brenngasbereich zu Wirkungsgradverlusten führen. Deshalb müssen die mechanischen Spannungen in den Zellen und den Gasverteilungssystemen minimiert werden, die durch voneinander abweichende thermische Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien oder durch Temperaturunterschiede innerhalb einzelner Komponenten zustande kommen.
Für die Wirtschaftlichkeit sind die Kosten der verwendeten Materialien, der Herstellverfahren für die Komponenten und der Fügetechniken von wesentlicher Bedeutung. Hinzu kommt der Aufwand für die umgebende Apparatetechnik wie Kompressoren, Gaswäscher, Wärmetauscher, Reformer, Nachbrenner und Wechselrichter. Details der Apparatetechnik hängen von der geplanten Anwendung ab, z. B. als vom Netz unabhängige Stromquelle, Blockheizkraftwerk oder Notstromaggregat. Wenn die Brennstoffzelle auch im inversen Betrieb als Elektrolysezelle betrieben werden kann, ergibt sich ein Energiespeicher auf der Basis von Wasserstoff.
Aus bisherigen Arbeiten ist bekannt, dass die geforderte Langzeitbeständigkeit im Temperaturbereich 900 bis 1000 °C nur schwer zu erreichen ist. Bei geringeren Temperaturen sind große Anstrengungen notwendig, um die elektrischen Verluste zu minimieren, z. B. mit sehr dünnen Elektrolyten oder solchen, die eine besonders hohe ionische Leitfähigkeit aufweisen.
Forschung und Entwicklung Der erste erfolgreiche Nachweis von funktionierenden SOFC-Prototypen gelang der Firma Westinghouse Power Corporation (jetzt Siemens Power Generation) in den späten 1980er Jahren, wobei schließlich eine Leistung von 25 kW und eine Betriebsdauer von 70 000 Stunden erreicht wurden. Die rohrförmigen Zellen bestanden aus einer relativ dicken, tragenden Kathodenschicht, einem Dünnschicht-Elektrolyt aus Yttrium-stabilisiertem Zirconiumoxid (kurz YSZ) und einer außenliegen Anodenschicht. Zur Herstellung des dünnen Festelektrolyten wurde ein spezielles Verfahren der Gasphasenabscheidung angewendet, das mit hohen Kosten verbunden war. Außerdem waren die Zellen für ihre Leistung noch recht groß. mini|291x291px|Festoxidbrennstoffzelle auf Metallträger