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Im Hexis Brennstoffzellenheizgerät werden bis zu 60
Brennstoffzellen zu einem «Stack» gestapelt.
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Wandelt
eine Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
chemisch gebundene Energie in elektrischen Strom um, entstehen
Temperaturen bis zu 900 Grad Celsius. Diese Abwärme wird
derzeit lediglich zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Andre Heel,
Chemie-Ingenieur und Forschungskoordinator der strategischen
Partnerschaft zwischen Empa und Hexis AG, hat anderes im Sinn: Mit
thermoelektrischen Konvertern möchte er aus (Ab-)Wärme
wertvollen Strom gewinnen. «Dies erhöht nicht nur den
Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems», so Heel.
«Hocheffiziente Energiewandlungstechnologien helfen
darüber hinaus am effektivsten, unsere fossilen und
erneuerbaren Ressourcen einzusparen.» |
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Unter
Heels Leitung hat die Empa diesen Sommer mit Hexis das
vierjährige Projekt HITTEC gestartet. Es widmet sich der
Weiterentwicklung und Optimierung von Materialien für
thermoelektrische Konverter (Thermo Electric Converters, TECs). In
einem nächsten Schritt sollen die neuen Materialien dann in
SOFCs integriert werden. |
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TECs
sind bereits im Handel erhältlich. Wie Heftpflaster werden sie
auf wärmeabstrahlende Wände von Motoren oder Öfen
«geklebt». Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen
Halbleitermaterialien. Sind diese unterschiedlich warm, so wandern
die Elektronen von der einen zur anderen Seite. Das kann zur
Stromproduktion genutzt werden. Doch bei 300 Grad Celsius ist
für gängige TEC-Module heute Schluss. Neue
Hochtemperatur-Thermoelektrika (High Temperature Thermoelectric
Converter, HITTEC) müssten jedoch nicht nur
temperaturresistent sein, sondern darüber hinaus einige
widersprüchliche Eigenschaften vereinen: Sie müssen etwa
elektrisch leitfähig sein wie Metalle und über hohe
thermoelektrische Kräfte wie Halbleiter verfügen und
dürfen dabei – wie Isolatoren – nur wenig Wärme
leiten. |
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Ein
Thermokonverter wird wie ein Pflaster an heissen Oberflächen
angebracht und kann (zusätzlichen) Strom liefern. |
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Als
ideale Kandidaten gelten perowskitartige Metalloxide. Im Team von
Anke Weidenkaff, Leiterin der Empa-Abteilung
«Festkörperchemie und -katalyse» sowie Professorin
für Chemie und Biochemie an der Universität Bern, setzt
man auf sie, weil sie chemisch und thermisch stabil und ungiftig
sind und in grösseren Mengen günstig produziert werden
können. In Vorarbeiten hatte das Team Verbindungen aus
Calzium-Manganat, das mit Wolfram substituiert wurde, als besonders
erfolgversprechend identifiziert. |
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Eigens
für die Hochtemperatur-TECs wurde an der Empa auch eine
neuartige Messanlage entwickelt. Darin werden die HITTEC-Module
extrem hohen Temperaturen ausgesetzt. So ist schnell zu sehen, wo
es Knackpunkte gibt. So müssen etwa die Lötstellen, die
das neu entwickelte Material mit den Stromdrähten verbinden,
neu überdacht werden: Übliche Lote schmelzen nämlich
bei diesen Temperaturen. |
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Die
Materialforscher sehen in ihrer Vision für die Zukunft noch
anderes vor: «Wir kleben unsere Konverter nicht einfach auf
die Brennstoffzelle drauf», erklärt Weidenkaff. Die
Empa-Forscherinnen und -Forscher wollen vielmehr Brennstoffzelle
und Thermokonverter vereinen und daraus ein einzigartiges neues
System bauen. Den Thermokonverter direkt an eine der Elektroden
anbringen, dort, wo die chemische Reaktion der Brennstoffzelle
stattfindet, sei eine «verrückte Idee» gibt
Weidenkaff zu. Eine Chance sieht sie in der Verwandtschaft der
Materialien: Beim Leitersystem aus Hochtemperaturkeramiken in der
SOFC handelt es sich um ähnliche Materialien wie die
perowskitartigen Metalloxide für die HITTECs. |
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Eigens für
die Hochtemperatur-TECs wurde an der Empa auch eine neuartige
Messanlage entwickelt. |
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Für
dieses Projekt braucht es vielfältiges Know-how. Beigesteuert
wird es von der Zürcher Hochschule für Angewandte
Wissenschaften (ZHAW), von der EPF Lausanne und von der ETH
Zürich. Diese Forschungspartner kümmern sich um das
Design von Modulen und Materialien und geben vor, wie sich die
Materialien in der SOFC am besten einsetzen lassen. Daraus wird man
gemeinsam mit Hexis Prototypen bauen. Nach Einschätzung von
HITTEC-Projektleiter Heel könnten SOFC-Systeme mit dem Einsatz
von Konvertern bis zu 10 Prozent Extraleistung erbringen. |
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