Auch Abwärme einer Brennstoffzelle lässt sich in Strom verwandeln. Im Projekt HITTEC entwickeln Forschende der Empa in strategischer Partnerschaft mit der Hexis AG einen thermoelektrischen Konverter. Damit sollen Brennstoffzellen 10 Prozent Extraleistung bringen.
Dafür müssen allerdings geeignete Materialien entwickelt werden, die den unterschiedlichsten Anforderungen genügen. Im Hexis Brennstoffzellenheizgerät werden bis zu 60 Brennstoffzellen zu einem "Stack" gestapelt. 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.
Brennstoffzellen-Heizungen sind bislang nur in Pilotprojekten im Einsatz, in Deutschland vor allem im Pilotprojekt Callux. Im Rahmen dieses Projekts hat Vaillant eine ersten wandhängende Brennstoffzellenheizung in Betrieb genommen.
Andre Heel, Chemie-Ingenieur und Forschungskoordinator der strategischen Partnerschaft zwischen Empa und Hexis hat anderes im Sinn: Mit thermoelektrischen Konvertern möchte er aus (Ab-)Wärme Strom gewinnen. Dies erhöhe den Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems.
Das vierjährige Projekt HITTEC 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. 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.
Ein Thermokonverter wird wie ein Pflaster an heissen Oberflächen angebracht und kann (zusätzlichen) Strom liefern. Als ideale Kandidaten gelten perowskitartige Metalloxide. Perowskite sind Mineralien. 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 diese Metallverbindungen, weil sie chemisch und thermisch stabil und ungiftig sind und in grösseren Mengen günstig produziert werden können.
"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. Quelle: Empa / 117pgl