Hochtemperatur-Brennstoffzellen (solid oxide fuel cell, abgekürzt SOFC) könnten in Zukunft vor allem stationäre Einheiten, etwa Einfamilienhäuser, umweltfreundlich mit Energie versorgen. Doch hohe Materialkosten und eine zu geringe Lebensdauer verhindern noch immer den Durchbruch. Fachleute des Projekts Sealing Stacks II entwickeln deshalb ein System, das günstige Glaskeramik verwendet.

Brennstoffzellen wandeln chemische in elektrische Energie um. Der Vorteil der Hochtemperatur-Brennstoffzelle: Im Gegensatz zu anderen Typen kommt sie neben reinem Wasserstoff auch gut mit anderen Brennstoffen zurecht, wie etwa Bioethanol, Biogas und Erdgas.

Bei planaren SOFC-Stacks (ebenen Brennstoffzell-Stapeln) ist die keramische Zelle mit Anode, Elektrolyt und Kathode das elektrochemische Kernelement der Brennstoffzelle. Eine wichtige Rolle spielen die dünnen, hochtemperaturstabilen Stahlbleche zwischen den Zellen, die sogenannten Interkonnektoren. Sie verbinden Anode und Kathode der übereinanderliegenden Zellen und verteilen das Brenngas sowie die Luft.

In einem Vorgängerprojekt hatten die Projektpartner bereits die teure Isolationsschicht aus Metall-Keramik auf den Interkonnektoren durch Glaskeramik ersetzt. „Das senkt die Kosten für die Fertigung solcher sogenannten Fügungen um 80 Prozent“, erklärt Projektleiterin Elisabeth Reitz vom Automobilzulieferer ElringKlinger.

Verbindung der Materialien stellt Forscher vor Herausforderung

Die große Herausforderung bei solchen Komponenten ist die Lebensdauer, da die Bestandteile den hohen Temperaturen dauerhaft standhalten müssen. Das gilt auch für eine weitere Fügung, die die Projektpartner nun entwickelt haben. Sie verbindet innerhalb einer Ebene die keramischen Elektrolyten der Zelle mit dem metallischen Zellträgerblech und ist gleichzeitig das Dichtelement, das die beiden Gasräume voneinander trennt. Die mangelhafte Möglichkeit der Qualitätssicherung dieser Fügung gilt bisher als Hauptgrund für den Ausfall der meisten Stacks während des Betriebs.

Sealing Stacks II setzt hierfür auf eine zweischichtige Glaskeramik anstatt des häufig verwendeten teuren Silberlots. „Dabei ist es entscheidend, dass es zu keinen unerwünschten Effekten zwischen den Glaskeramiken untereinander, aber auch nicht mit der Keramik der Brennstoffzelle und den Stahlelementen des Stacks kommt. Genau darin liegt die Schwierigkeit: Bislang wurden mit der entwickelten Glaskeramik zwei gleichartige Materialien gefügt, beim vorliegenden System müssen zwei verschiedene Materialien verbunden werden", sagt Reitz. Können beide Fügungen mit Glaskeramik ausgeführt werden, so verlängert sich nicht nur die Lebensdauer der Stacks, sondern es vereinfacht auch wesentlich die Produktion.

Mehr Stabilität und Dichtigkeit dank guter Haftung

Es ist den Forscherinnen und Forschern gelungen, eine gute Haftung der Glaskeramiken an Stahl- und Keramikteilen zu erreichen, die entscheidend für Stabilität und Gasdichtigkeit der Verbindung ist. Eine Laufzeit von mehr als 11.000 Stunden war bei geringer Abnutzung möglich. Und die dabei entstehenden Grenzflächenreaktionen konnten die Projektpartner genau untersuchen. Da es bislang keine passenden Verfahren für die Qualitätsprüfung gab, haben die Projektpartner auch eigene Tests für Zellen entwickelt, die während der Produktion eingesetzt werden könnten.

Wie die zerstörungsfreie Prüfung aussehen kann, zeigt dieses Video des Projektpartners Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP:

Als Prüfverfahren kamen etwa Ultraschall, Luftultraschall und Thermographie zum Einsatz. So wurden Defekte im Glaslot sichtbar ohne die einzelnen Bestandteile zerstören zu müssen – das senkt die Ausschussquote. Sowohl Lücken in der Glaslotschicht als auch Fremdkörper, wie Metallspäne, konnten detektiert und mittels speziell entwickelter Software visualisiert werden. Langfristig wollen die vier Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft nun ein marktreifes Gesamtsystem konstruieren. (pj)