T °C - JuSER - Forschungszentrum Jülich

Stand des Wissens 5
2. Stand des Wissens
2.1. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC)
In diesem Kapitel soll insbesondere neben einer kurzen Betrachtung der historischen
Entwicklung der Brennstoffzelle ein Einblick in den Aufbau, die Funktionsweise und
das Design, sowie die verwendeten Werkstoffe des planaren Konzepts der
Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) des Forschungszentrums Jülich gegeben
werden. Anschließend soll allgemein beschrieben werden, welche Anforderungen an
eventuelle Fügematerialien für den Einsatz im Hochtemperatur-Werkstoffbereich
gestellt werden können.
Die Geschichte der Brennstoffzelle begann bereits im Jahr 1839 mit dem
englischen Physiker Sir. William Grove. Er demonstrierte am Beispiel eines im
Wasserdampf befindlichen Platindrahts die Elektrolyse von Wasser. Da es sich dabei
um einen reversiblen Vorgang handelt, konnte hiermit sichergestellt werden, dass die
chemische Energie wieder direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Demzufolge wurde diese Form von Energieumwandlung Brennstoffzelle (BSZ)
genannt.
Mitte der 60er Jahre des vergangenen Jahrhunderts ist das Interesse an der
Brennstoffzelle durch ihren exklusiven und erfolgreichen Einsatz in Unterseebooten
und vor allem in der Raumfahrt wieder geweckt worden. In dieser Zeit wurde sie
einerseits zur Erzeugung von elektrischem Strom und anderseits zur Gewinnung von
reinem Wasser als Reaktionsprodukt zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
verwendet.
Derzeit erlebt die Brennstoffzelle eine Renaissance. Grund dafür sind die
dramatischen steigenden Energiepreise sowie die weltweit geführte Diskussion um
den Klimaschutz; zudem addieren sich die stark wachsenden Anforderungen
hinsichtlich der Umweltverträglichkeit der Stromerzeugung. Somit besteht großes
Interesse daran, die Brennstoffzelle zur Energieumwandlung, statt der derzeit
verwendeten Wärmekraftwerke, einzusetzen. In diesem Zusammenhang lassen sich
die dort anfallenden Schadstoffemissionen weitgehend reduzieren und erreichen
dabei einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 47 % [IEF 2009]. Der Wirkungsgrad
eines solchen Energiewandlungssystems soll durch den Wirkungsgrad des idealen
Dampfkreislaufes (ca. 25 - 35 %) begrenzt sein [Oeh 1997]; [Ber 1991]; [Hou 1997];
[Will 1997]; [Bir 1997]. Es sind heute aber bereits stationäre BSZ verfügbar, die 68 %
(bezogen auf die Gleichstromgeneration) erzielen. Auch und gerade unter den oben
genannten Bedingungen der heutigen Zeit stellt die Forschungsgemeinschaft auf
diesem Gebiet der Energieumwandlung durch einen wichtigen Schritt die Erhaltung