129 % mehr Leistung: Forscher kombinieren Elektrolyse und Brennstoffzelle
Sie erzeugt Wasserstoff und macht ihn später wieder zu Strom: Die reversible Brennstoffzelle ist ein Multitalent der Energiewende. Koreanische Forscher konnten ihre Effizienz nun drastisch steigern.
Mitarbeiter kontrollieren einen Stack im Elektrolyse-Kompetenzzentrum von Andritz Schuler in Erfurt. Das Foto zeigt einen Niedertemperatur-Elektrolyseur – die reversible Festoxidzelle arbeitet bei rund 800 °C.
Foto: picture alliance/dpa | Martin Schutt
Im Sommer liefern Photovoltaikanlagen mehr Strom, als gebraucht wird. Im Winter ist es umgekehrt. Diese saisonale Lücke ist ein Kernproblem der Energiewende: Batterien können nur einzelne Stunden überbrücken, nicht ganze Monate. Reversible Festoxidzellen könnten diese Lücke theoretisch schließen. Sie machen aus Überschussstrom Wasserstoff und aus dem Wasserstoff später wieder Strom – beides im selben Bauteil. Dieselbe Hochtemperaturtechnologie soll auch der Industrie helfen, fossilen Wasserstoff abzulösen.
Das norwegische Start-up Photoncycle will solche Zellen als Heimspeicher in deutsche Gärten bringen. Der Dresdner Hersteller Sunfire betreibt eine eng verwandte Variante (SOEC) bereits in einer Raffinerie in Rotterdam. Ein Forschungsteam um Prof. Jun-Young Park (Sejong-Universität, Seoul) hat jetzt in der Fachzeitschrift Nature Energy einen neuen Ansatz für die Luftelektrode dieser Zellen vorgestellt. Bei einem Standardkatalysator verbessert der Materialtausch die Leistung nach eigenen Angaben um bis zu 129 %.
Inhaltsverzeichnis
Ein Multitalent mit Schwächen
In einer Festoxidzelle laufen je nach Betriebsmodus zwei Reaktionen ab. Eine reversible Zelle übernimmt beide Funktionen im selben Modul:
- Im Elektrolyse-Modus wird aus Wasser und Strom Wasserstoff.
- Im Brennstoffzellbetrieb läuft der Prozess umgekehrt: Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff aus der Luft, dabei entsteht Strom.
Die Effizienz hängt entscheidend von der Luftelektrode ab, an der der Sauerstoff aufgenommen oder freigesetzt wird.
Hier setzt die Forschung seit über 40 Jahren auf eine bewährte Materialkombination: Ein elektronisch leitender Katalysator wird mit Gadolinium-dotiertem Cerdioxid (GDC) zusammengeführt, einem Sauerstoffionen-Leiter. Der Nachteil dieses Aufbaus: Die elektrochemischen Reaktionen laufen nur an schmalen Grenzflächen zwischen den beiden Materialien ab. Weitere Leistungssteigerungen sind in den vergangenen Jahren ausgeblieben.
Was nun anders ist
Das Team um Park ersetzte GDC durch BaCe₀,₇Zr₀,₁Y₀,₁Yb₀,₁O₃₋δ – kurz BCZYYb. Das Material war bisher vor allem als Protonenleiter bekannt. Die Studie zeigt: Unter Luftbedingungen leitet BCZYYb auch Sauerstoffionen und Elektronen-Löcher in einem ausgewogenen Verhältnis. Damit erweitert sich nach Angaben der Autoren die reaktive Zone von der schmalen Grenzfläche auf die gesamte Elektrodenoberfläche.
Kombiniert wurde BCZYYb mit einem plättchenförmigen Katalysator namens GCCCO (Gd₀,₃Ca₂,₇Co₃,₈₂Cu₀,₁₈O₉₋δ). An der Grenzfläche zwischen beiden Materialien bildet sich laut der Veröffentlichung eine elektrische Doppelschicht aus, die die Reaktionskinetik beschleunigt.
Bis zu 129 % mehr Leistung
Im Labortest erreichte die Zelle bei 800 °C:
- 7,08 W/cm² Spitzenleistungsdichte im Brennstoffzellbetrieb. Dieser Wert bestimmt, wie viel Strom pro Zellfläche produziert werden kann.
- 7,88 A/cm² Stromdichte bei 1,3 V im Elektrolyse-Modus. Je höher dieser Wert, desto mehr Wasserstoff lässt sich pro Zellfläche produzieren.
- 200 Stunden Dauertest ohne nennenswerten Leistungsverlust
Aktuelle Veröffentlichungen zu vergleichbaren RSOC-Systemen berichten in der Regel von Spitzenleistungsdichten zwischen 1 und 2,7 W/cm². Die nun vorgestellten Werte liegen also deutlich darüber. Indes stammen sie aus einer kleinen Laborzelle; ein direkter Vergleich mit größeren Aufbauten ist nur eingeschränkt möglich
Der Materialaustausch wirkt auch über das spezifische Katalysator-Beispiel hinaus: Ersetzten die Forscher GDC durch BCZYYb in anderen gängigen Verbundelektroden, verbesserte sich deren Leistung nach Angaben der Forschenden um 38 bis 129 %, je nach Katalysator.
Was das für den Markt bedeuten kann
Bis die Arbeiten aus dem Labormaßstab zu kommerziellen Zellen, Stacks und industriell relevanten Betriebszeiten von vielen Tausend Stunden taugen, ist es noch ein weiter Weg. Der Langzeit-Dauertest der Koreaner umfasste nur 200 Stunden. Für die Materialforschung ist das ein üblicher Zeitraum, für eine Industrieanwendung aber weit unter der nötigen Betriebsdauer.
Prof. Park bezeichnet die Arbeit als „einen neuen Weg für die nächste Generation von Verbundluftelektroden“, der die Kommerzialisierung von RSOCs für die Wasserstoffwirtschaft beschleunigen solle. Er ist laut Interessenerklärung in Nature Energy aber auch Gründer der Firma Terra FuelCell, die Solid-Oxide-Brennstoffzellentechnologie vertreibt.
In jedem Fall nimmt der Markt, den seine Forschung adressiert, langsam Fahrt auf. Sunfire baut bis Ende 2026 eine SOEC-Testanlage im BASF-Industriepark Lausitz in Schwarzheide als Vorbereitung für IPCEI-Großprojekte. Sunfire-CEO Nils Aldag rechnet damit, dass durch die Umsetzung der EU-Erneuerbaren-Richtlinie RED III über die deutsche THG-Quote in den nächsten fünf Jahren ein Bedarf von bis zu 5 GW Elektrolyseleistung in Deutschland entstehen könne.
Die vollständige Studie finden Sie hier.
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