Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = engl. Solid Oxide Fuel Cell) zählt ebenso wie die MCFC zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen, weswegen für sie ebenfalls die Möglichkeit zur Kraft-Wärme-Kopplung besteht. Die Kombination aus SOFC und Gas- beziehungsweise Dampfturbinen ermöglicht einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 75 Prozent.

Als Brennstoff einer SOFC können wegen der höheren Betriebstemperatur neben Wasserstoff auch Kohlenwasserstoffverbindungen (C_nH_m) genutzt werden. Diese Brennstoffe (z. B. Erdgas, Biogas, Deponiegas) werden intern reformiert. Die Wasserstoffatome werden dabei von den Kohlenstoffmolekülen abgespalten, so dass letztlich reiner Wasserstoff vorliegt, der der Anode zugeführt wird. Dort werden katalytisch die Elektronen vom positiv geladenen Atomkern abgespalten, so dass diese für den Verbraucher zur Verfügung stehen. Auf der Kathodenseite wird Luft zugeführt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff (O₂) wird katalytisch gespalten und reduziert, so dass zweifach negativ geladene Sauerstoffionen vorliegen.

Der feste Elektrolyt aus Oxidkeramik wird im Temperaturbereich von 900 bis 1.000 °C ionenleitend, so dass die O^2--Ionen von der Kathode zur Anode wandern können. Der Elektrolyt besteht üblicherweise aus einer Schicht yttriumstabilisierten Zirkoniumdioxids und ist nicht elektrisch leitfähig. Deswegen müssen die Elektronen von der Anodenseite den langen Weg über den Verbraucher zur Kathode nehmen. Die Sauerstoffionen verbinden sich auf der Anodenseite mit den Wasserstoffprotonen. Als Endprodukte fallen auf der Kathodenseite Stickstoff (N₂) und unverbrauchter Sauerstoff an und auf der Anodenseite Wasserdampf.

Die Elektrolytdicke entspricht der Diffusionsstrecke der Sauerstoffionen. Je länger diese Diffusionsstrecke ist, desto höher muss die Betriebstemperatur sein. Bei niedrigeren Temperaturen reicht die Leitfähigkeit für einen ausreichend großen Stromfluss in aller Regel nicht aus.

Bei der SOFC-Technik gibt es eine Besonderheit bezüglich des Aufbaus: das Zelldesign. Es gibt Brennstoffzellen, die über einseitig geschlossene Hohlröhren verfügen. Die keramischen Bauteile, die an Besenstiele erinnern, sind etwa 1,5 Meter lang und 2,2 Zentimeter dick. Sie trennen den jeweiligen Brennstoff von der Luft und ermöglichen gleichzeitig eine räumliche, thermisch bedingte Ausdehnung. Die Elektrolytschichtdicke ist vergleichsweise gering (0,01 mm), aber dafür hat man so die Betriebstemperatur ohne Leistungsverluste um rund 200 °C senken können, was den Vorteil hat, dass kostengünstigere Materialien eingesetzt werden können und dass mit der geringeren Temperatur auch die Alterung langsamer verläuft (reduzierte Oxidbildung), sich die Lebensdauer also erhöht.

Einen Fortschritt bei der Leistungsdichte im Verhältnis zum Volumen brachte in den 2000er Jahren der Wandel vom tubularen Design zum planaren Design. Auch konnten teilweise keramische Materialien durch Metalle ersetzt werden, was zu Kostensenkungen führte. Zudem gibt es inzwischen kleine tubulare Zellen, die etwa in Zigarettengröße vorliegen.