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Forscher schaffen Laufzeit-Weltrekord bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen

© Forschungszentrum Jülich© Forschungszentrum Jülich

Jülich - Der Nachweis einer hohen Lebensdauer ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Jülicher Forscher haben jetzt einen neuen Rekord bei der Betriebszeit erreicht.

Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade und gelten als besonders wartungsarm. Forscher waren anfangs skeptisch, ob Hochtemperatur-Brennstoffzellen bei Temperaturen um 700 Grad auch eine lange Betriebszeit erreichen können.

Weltrekord: Jülicher Hochtemperatur-Brennstoffzelle erreicht 11 Jahre Betriebszeit
Die 100.000 Stunden Lebensdauer hatten sie noch abgewartet, dann leiteten Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich vor einigen Tagen schrittweise das Ende ihres Langzeitversuchs ein. Mehr als elf Jahre lang hatten sie eine von ihnen entwickelte Brennstoffzelle bei einer Temperatur von 700 Grad betrieben. Über zehneinhalb Jahre lang lieferte die Hochtemperatur-Brennstoffzelle während dieser Zeit Strom, so lange wie noch keine andere Hochtemperatur-Brennstoffzelle zuvor. Der Nachweis einer derart langen Lebensdauer gilt als wichtiger Schritt für die Entwicklung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die höchste Wirkungsgrade erzielen. Mögliche Anwendungsgebiete sehen die Forscher in der dezentralen Strom- und Wärmeversorgung im Haushalt, in größeren Wohngebieten oder in der Industrie sowie Systeme für Züge oder Schiffe.

Weltrekord: Brennstoffzellen-Lebensdauer von mehr als 100.000 Betriebsstunden
„Anfangs hätte kaum jemand gedacht, dass es möglich ist, Hochtemperatur-Brennstoffzellen über so einen langen Zeitraum zu betreiben“, erklärt Prof. Ludger Blum vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3). Die hohe Betriebstemperatur stellt große Anforderungen an die verbauten Materialien. Daher müssen die Brennstoffzellen 5 bis 10 Jahre oder umgerechnet 40.000 bis 80.000 Stunden laufen, damit der Einsatz wirtschaftlich werden kann. Die Jülicher „Solid Oxide Fuel Cell“ (SOFC), was übersetzt Festoxid-Brennstoffzelle heißt, hielt sogar noch deutlich länger durch. Mit dem Langzeitexperiment wiesen die Forscher weltweit erstmalig eine Lebensdauer von 100.000 Stunden nach. Seit dem Start des Versuchs am 6. August 2007 lieferte der aus zwei Zellen bestehende Zellstapel über 93.000 Stunden kontinuierlich Strom.

Forscher untersuchen Innenleben der Brennstoffzelle
Mit dem Abschalten der SOFC kommen nun neue Aufgaben auf die Forscher zu. Äußerlich haben sich die metallischen Bauteile im Laufe der Jahre erkennbar verändert. Doch abgesehen von unvermeidlichen oberflächlichen Oxidation sind von außen keine negativen Veränderungen festzustellen. „Wir sind schon ganz gespannt, wie es im Innern aussieht“, verrät Dr. Norbert Menzler vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1), zuständig für die Entwicklung der keramischen Zellen. „In welchem Zustand sich die Zelle befindet, ist im laufenden Betrieb kaum ersichtlich. Bislang hat weltweit noch niemand eine Zelle nach 100.000 Betriebsstunden bei so hohen Temperaturen untersuchen können.“ Die Forscher wollen nun genau analysieren, wie sich die jahrelange extreme thermische Belastung auf die keramischen Komponenten, Glaslot-Dichtungen und metallische Verbindungsstücke, die sogenannten Interkonnektoren, ausgewirkt hat.

Umgekehrter Betriebsmodus: Brennstoffzelle kann Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen
Aktuell testen die Wissenschaftler um Luder Blum eine reversibel betreibbare Version der SOFC. Diese liefert nicht nur Strom, sondern kann in einem umgekehrten Betriebsmodus auch Wasserstoff und Sauerstoff durch Wasserelektrolyse erzeugen. Auch diese Weiterentwicklung hat schon erste sehr gute Ergebnisse erzielt. Sie ist die erste Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die im Wasserstoffbetrieb mit 62 Prozent einen Wirkungsgrad von über 60 Prozent erreicht.

© IWR, 2019


08.02.2019

 



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