Entwicklung von Submikron - Pulver-Suspensionen zur Herstellung ...

1 Einleitung und Zielsetzung
Einleitung
Die heute üblichen Formen der Energieumwandlung weisen Nachteile z . B . hinsichtlich des
Wirkungsgrades und der Umweltverträglichkeit auf, die es erforderlich machen, nach Alter-
nativen zu suchen .
Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen arbeiten, haben unter Einsatz modernster Technik
(Gas- und Dampfkraftwerke GuD) Wirkungsgrade bis 59 % . Höhere Wirkungsgrade sind nur
schwer zu erzielen, da die bei der Verbrennung entstehende Wärmeenergie erst in
mechanische Energie und anschließend in Elektrizität umgewandelt wird . Zudem entstehen
bei der Verbrennung von Kohle und Erdgas Kohlendioxid, das für den sogenannten Treib-
hauseffekt verantwortlich gemacht wird, sowie Schwefel- und Stickoxide .
Der Energiebedarf in Europa kann derzeit durch die Nutzung alternativer Energien wie
Wasserkraft, Windenergie und Sonne nur zu etwa 6 % abgedeckt werden . Große Steigerungen
sind nicht zu erwarten .
Durch die direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie erreichen Brennstoff-
zellen höchste Wirkungsgrade (70 % und mehr) unter den heute bekannten Energieum-
wandlungssystemen . Mit Hochtemperaturbrennstoffzellen, die nach dem verwendeten
Elektrolytmaterial als Festelektrolyt-Brennstoffzelle (engl . Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
bezeichnet werden, können durch die zusätzliche Ausnutzung der entstehenden Abwärme und
Kopplung mit Gasturbinen Anlagen bis in den Megawatt-Bereich mit hohen Wirkungsgraden
realisiert werden .
In diesen Brennstoffzellen wird bei Temperaturen von 800 °C und mehr Wasserstoff mit
Luftsauerstoff zu Wasser verbrannt", wobei die Teilreaktionen Sauerstoffreduktion" und
Wasserstoffoxidation" durch eine gasdichte, ionenleitende Membran, den Elektrolyten,
voneinander getrennt ablaufen . Die bei der Redox-Reaktion umgesetzten Elektronen werden
in einem äußeren Stromkreis für Verbraucher zur Verfügung gestellt .
Neben der Gasdichtigkeit und der Ionenleitfähigkeit muß der Elektrolyt zu den übrigen Zell-
komponenten einen angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und chemische
Kompatibilität aufweisen.
Als geeignetes Elektrolytmaterial hat sich yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) erwiesen .
Durch die Dotierung mit Yttriumoxid werden im Kristallgitter Sauerstoffleerstellen erzeugt,
die bei hohen Temperaturen eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit des YSZ bewirken .
Diese hohen Temperaturen (über 800 °C) machen den Einsatz kostenintensiver hitze-
beständiger Stähle z . B . für Interkonnektorplatten und Gaszuleitungen erforderlich . In