Eine Brennstoffzelle erzeugt wie eine Batterie Energie durch einen elektrochemischen Prozess. Im Gegensatz zu Batterien entladen sie sich aber nicht und müssen demnach nicht aufgeladen werden. Diesen Vorteilen von Brennstoffzellen stehen jedoch Herausforderungen wie Kosten, Leistung und Haltbarkeit gegenüber.
Der Forscher der Michigan Technological University veränderten den herkömmlichen Aufbau einer Brennstoffzelle dahin, dass sie die Schnittstelle zwischen dem Elektrolyten und dem geschmolzenem Karbonat als ultraschnellen Übertragungskanal für Sauerstoff-Ionen nutzen. Quasi ein Sauerstoff-Ionen-Supraleiter. Dadurch konnten sie einen völlig neuen Brennstoffzellentyp erfinden, eine „karbonatüberstrukturierte Festbrennstoffzelle“ (carbonate-superstructured solid fuel cell – CSSFC), wie sie die Forscher nennen.
Solche Zellen haben wie andere Brennstoffzellen ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten, von der Bereitstellung von Energie für den Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen und der Stromerzeugung für Privathaushalte bis hin zu ganzen Kraftwerken. Da sie brennstoffflexibel sind, bieten sie eine höhere Haltbarkeit und Energieumwandlungseffizienz bei niedrigeren Betriebstemperaturen als andere Arten von Brennstoffzellen.
Die meisten Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff betrieben – typischerweise hergestellt aus wasserstoffhaltigen Verbindungen, am häufigsten Methan – über einen teuren Prozess namens Reformierung. Aber diese neue Brennstoffzelle kann Methan oder andere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe direkt nutzen. Der teure Prozess der Reformierung fällt damit weg. Die neue Methode wurde hier publiziert.
Damit kann die neue Brennstoffzelle auch bei niedrigeren Betriebstemperaturen dieselbe elektrochemische Leistung bieten. Die Betriebstemperatur einer herkömmlichen Festoxid-Brennstoffzelle beträgt normalerweise 800 Grad Celsius oder mehr, da der Ionentransfer in einem Festelektrolyten bei niedrigeren Temperaturen sehr langsam ist. Im Gegensatz dazu kann der überstrukturierte Elektrolyt der neuen Brennstoffzelle einen schnellen Ionentransfer bei 550 Grad Celsius oder niedriger ermöglichen – sogar bei nur 470 Grad Celsius.
Die relativ niedrige Betriebstemperatur bietet einen hohen theoretischen Wirkungsgrad und niedrigere Zellherstellungskosten. Der Betrieb soll potenziell auch sicherer sein als bei anderen Festbrennstoffzellen. Die Tests zeigten außerdem eine beispiellos hohe Leerlaufspannung, was auf keinen Stromleckverlust und eine hohe Energieumwandlungseffizienz hinweist. Es wird geschätzt, dass die Treibstoffeffizienz 60 % erreichen könnte. Im Vergleich dazu liegt die durchschnittliche Kraftstoffeffizienz eines Verbrennungsmotors zwischen 30 und 35 Prozent.
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