PVD-Mikro-Festoxidbrennstoffzellen

Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) sind vielversprechende Elemente zur Energiegewinnung [1,2], sowohl in kleinen, dezentralen Anlagen als zentrales Bauteil innerhalb eines weitgehenden CO₂ neutralen Energiekreislaufes auf Biogasbasis als auch für transportable elektronische Bauelemente wie Mobiltelefone und tragbare Computer [3]. Aus dieser Sicht de ergeben sich direkt aus folgenden Ausgangssituationen die Problemstellungen:

–    Reine Ni-Anodenmaterialien tendieren zu Verkohlungen und Bildung von Kohlenstofffäden. Bimetallische Ni-Cu Systeme besitzen erhöhte Sinterstabilität, geringere Neigung zu Kohlenstoffausfällungen und gute katalytische Leistung.[4-8]

–    Thermodynamische und kinetische Vorgänge, welche die Abscheidung von Kohlenstoff in Ni-Cu-Materialien und auf YSZ Oberflächen kontrollieren, sind trotz massiver Forschungstätigkeiten in den letzten Jahren immer noch nicht vollständig geklärt. Diese beeinflussen maßgeblich die Ablagerung von Kohlenstoff aus CH-haltigen Flüssiggasen und wirken sich negativ auf die Energieeffizienz, Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit von SOFC aus solchen Materialkombinationen aus. Daher sind grundlegende strukturelle und chemische Untersuchungen unter realen katalytischen Bedingungen notwendig.[1,2]

–    Metallische Einkristalle sind zur Modellierung und Optimierung der komplexen Verhältnisse in industriellen Katalysatoren nur bedingt geeignet, da die Auswirkungen von Trägermaterialien, Partikelgrößen und Struktur nicht untersucht werden können. Modellkatalytische Dünnschicht-Systeme haben sich hier bewährt.[9-11]

–    Die Herstellung solcher katalytischer Modellsysteme mittels thermischer und Elektronstrahl-Verdampfungsverfahren ist nur in sehr kleinem Maßstab möglich, schwierig für industrielle Prozesse skalierbar und damit kaum anwendungsbezogen. Magnetron-Kathodenzerstäubung hingegen zählt seit Jahrzenten zu den wichtigsten industriellen Beschichtungsverfahren.

–    Potentielle Brennstoffe für SOFC wie H₂ oder höhere Kohlenwasserstoffe sind derzeit noch relativ aufwändig zu erzeugen und zu speichern und neigen zu noch intensiverer Kohlenstoffabscheidung. Mit Methan als Brennstoff kann auf vorhandene Infrastruktur zugegriffen werden, es ist mittelfristig in ausreichender Menge verfügbar und bietet langfristig die Möglichkeit der Umstellung auf erneuerbare Quellen wie Biogas.[1,2]

–    Kosten, Lebensdauer, Betriebssicherheit und Dimensionen von SOFC sind immer noch nicht in Größenordnungen, in denen sie eine ernstzunehmende Konkurrenz zu fossilen und erneuerbaren Energieträgern und mobilen Energiequellen darstellen würden. Niedrigere Betriebstemperaturen unter 700°C bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden sowie die Reduktion der Zellengröße durch geringere Elektrolytdicken sind mögliche Ansätze zu weiteren Verbesserungen. Diesen Anforderungen könnten Mikro-SOFC, hergestellt durch PVD-Dünnschichttechnologien gerecht werden.[1,2]