Brennstoffzellen machen mobil
Ob Diesel, Erdgas oder Benzin, Biogas oder Wasserstoff: keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen können unterschiedlichste Brennstoffe in Wärme und Strom verwandeln. Dabei müssen sie extremen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen standhalten. Zusammen mit Partnern aus der Industrie haben Fraunhofer-Forscher eine Technik entwickelt, die Brennstoffzellen preisgünstig und langlebig macht.
Das Herzstück der keramischen Hochtemperaturbrennstoffzelle: ein Komponentenstapel, genannt "Stack".
© Fraunhofer
"Keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen werden schon bald ein Massenmarkt sein", prognostiziert Prof. Alexander Michaelis, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden. "Sie eignen sich als mobile Stromgeneratoren für Campingfahrzeuge, Boote, LKWs oder PKWs, aber auch für stationäre Anwendungen zur Strom- Wärme- und Kältegewinnung oder zur Verstromung von Biogas in der Landwirtschaft." Mit der Entwicklung kostengünstiger und langlebiger Stacks, dem Herzstück der Hochtemperaturbrennstoffzellen, haben Forscher vom IKTS jetzt die Voraussetzung geschaffen für eine kommerzielle Nutzung.
Stacks sind Stapel aus dünnen keramischen Platten, an deren Oberfläche die Brennstoffe durch einen elektrochemischen Prozess direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Verglichen mit Polymeren, die in Niedertemperaturbrennstoffzellen eingesetzt werden, haben diese keramischen Zellen einen großen Vorteil: Sie können nicht nur reinen Wasserstoff, der schwer zu bekommen ist, sondern auch Methan, Benzin, Diesel, Erd- oder Biogas verstromen. Dieser Prozess ist technisch relativ einfach und daher kostengünstig. In Kombination mit Strom, Wärme- beziehungsweise Kältekopplung lassen sich Wirkungsgrade von mehr als 90 Prozent erreichen - mehr als mit jeder anderen Technologie.
Die Stacks im Inneren der Brennstoffzelle müssen dabei allerdings einiges aushalten: Die Betriebstemperatur kann bis zu tausend Grad betragen. Dabei herrschen auf der Brenngasseite der keramischen Zellen extrem reduzierende und auf der Luftseite extrem oxidierende Bedingungen. Die Entwicklung von Materialien, die solche aggressiven Bedingungen dauerhaft aushalten, ist selbst für erfahrene Werkstoffforscher eine Herausforderung. Ein Team am IKTS entwickelt zusammen mit den Industriepartnern H.C. Starck GmbH, einer Tochter der Bayer AG, sowie der Webasto AG Verbundstoffe aus Metall, Keramik und Glas. Diese Materialien sind hervorragend für den Bau kostengünstiger und robuster Stacks geeignet - bereits jetzt wurde eine Lebensdauer von über 5 000 Stunden erreicht.
Das neue Stack-Design soll schon bald in Serie gehen. Im vergangenen Jahr übernahm die Staxera GmbH - ein Joint Venture von Webasto und H.C. Strack - die Vermarktung. Partnerschaften mit dem Heizungshersteller Vaillant und dem Automobilzulieferer Webasto ermöglichen einen europaweiten Vertrieb. Bei der Weiterentwicklung der keramischen Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeitet die Staxera GmbH eng mit den Fraunhofer-Forschern zusammen. Um die Kooperation zu erleichtern, hat das junge Unternehmen im IKTS Räume angemietet und Wissenschaftler engagiert. "Über die Konstruktion eines solchen "Spin-In" ist sichergestellt, dass Forschung, Entwicklung und Produktion optimal zusammenarbeiten", resümiert Dr. Christian Wunderlich, Geschäftsführer der Staxera GmbH.
"Die Fraunhofer-Gesellschaft und die beteiligten Industriefirmen sehen diese Kooperation als Modellprojekt", ergänzt Michaelis. "Hier wird deutlich, wie mittelständische Unternehmen Forschungsergebnisse schnell in marktreife Produkte umsetzen können. Damit ist es uns gelungen, den Kreis zu schließen: Durch Forschung, die Geld kostete, haben wir Wissen erlangt, jetzt können wir aus Wissen wieder Geld und auch Arbeitsplätze generieren."
