Glaskeramik

Was lange hält

sind die Dichtungen von Schott. Der internationale Technologiekonzern entwickelte extrem hitzebeständige Gläser und Glaskeramiken als langlebiges Dichtungsmaterial für Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Bei einer Betriebstemperatur zwischen 650 und 850°C erzeugen Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) Strom und Wärme auf sehr effiziente Weise. Sie werden weltweit in Kleinkraftwerken, für die Hausenergieversorgung und als Hilfsstrom-Aggregat für Fahrzeuge eingesetzt. Unsere Atmosphäre heizt sich immer weiter auf. Hohe CO2-Emmissionen, die beim Verbrennen fossiler Energieträger entstehen, sind die Hauptursache dafür. Zwischen 1990 und 2008 ist der weltweite Ausstoß des Treibhausgases um fast 40 Prozent gestiegen, so das Internationale Wirtschaftsforum Regenerative Energie (IWR). Und das, obwohl die Preise für fossile Energieträger ebenfalls neue Höhen erklommen. In der Steigerung der Energieeffizienz liegt der Schlüssel zu umweltfreundlichem Wachstum. Die Brennstoffzelle, insbesondere die Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), stellt dabei eine vielversprechende Lösung dar. Wasserstoff ist der Energieträger der Brennstoffzelle. Das Gas kommt auf der Erde jedoch fast nur in gebundener Form vor. Man gewinnt es über erneuerbare und fossile Energieträger. Bislang gibt es zwar noch keine Infrastruktur für eine flächendeckende Wasserstoffversorgung, die SOFC ist aber in der Lage, fossile Brennstoffe wie Erdgas, Biogas, Heizöl oder Diesel über einen internen Reformer direkt in Nutz-Energie umzuwandeln. Damit besteht für diese Technologie ein wichtiger Wettbewerbsvorteil.

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Schnelle Nachrüstung in Industrie und Haushalten möglich

Fest-Oxid-Brennstoffzellen (Solid Oxid Fuel Cells, SOFCs) lassen sich direkt an die Anschlüsse für fossile Brennstoffe anschließen, die in der Industrie sowie rund der Hälfte aller Haushalte in Deutschland wie auch in vielen Ländern der Welt bereits vorhanden sind. Erdgas eignet sich besonders gut als Energielieferant. Das Gas besteht größtenteils aus Methan, das sich aus einem Kohlenstoff- und vier Wasserstoff-Atomen zusammensetzt. Es bietet ein sehr vorteilhaftes Kohlen-Wasserstoff-Verhältnis und damit eine hohe Energieausbeute. Der SOFC-Technologie wird daher das größte Potenzial zugesprochen, den Energiebedarf von Industrie, Gewerbe und Haushalten künftig effizient und umweltfreundlich zu decken. Rund 80 Prozent der eingesetzten chemischen Energie wandelt die galvanische Zelle in nutzbaren Strom und Wärme um. Ihre Vorteile liegen in der hohen Effizienz, der Flexibilität bei der Wahl des Brennstoffs und der äußerst geringen CO2-Emission. Haupt-"Abfallprodukt" der Brennstoffzelle ist Wasser.

Hochtemperatur-Brennstoffzelle "reif für den Massenmarkt"

"Die Infrastruktur steht und auch technologisch ist die SOFC weitgehend reif für den Massenmarkt", erklärt Claire Buckwar, Leiterin Marketing bei Schott Electronic Packaging, dem führenden Hersteller von Pulvern aus Glas und Glaskeramiken für die hermetische Kapselung und Passivierung elektrotechnischer Bauteile. "Die Hersteller von Hochtemperatur-Brennstoffzellen brauchen nun geeignete Industriepartner, die höchste internationale Qualitätsstandards erfüllen und hohe Versorgungssicherheit bieten." Das Unternehmen aus Mainz hat daher spezielle Glas- und Glaskeramik-Dichtungen entwickelt, die bezüglich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften optimal auf die hohen Betriebstemperaturen der SOFCs zwischen 650 und 850°C abgestimmt sind. Ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind auf die der Zellen- und Interkonnektoren-Materialien abgestimmt. So werden Spannungen beim Abkühlen der hermetisch dichten Glas-Metall-Verbindungen verringert. Zudem besitzen die Dichtungen eine definierte Kristall-Phase, um die thermische Stabilität der Dichtung zu erhöhen.

Hermetisch dicht auch bei höchsten Temperaturen

"Die hohe Betriebstemperatur der Festoxid-Brennstoffzelle stellt enorme Anforderungen an das verwendete Material", so Dr. Jörn Besinger, Leiter der Entwicklung bei Schott in Landshut (Deutschland). "Damit die Zelle dauerhaft sicher und effizient Energie erzeugen kann, müssen die Gasräume an der Anode und der Kathode sowie die Interkonnektoren der Brennstoffzellen-Stacks untereinander hermetisch abgedichtet und teilweise elektrisch isoliert werden." In vielen Aspekten funktionieren Brennstoffzellen wie Batterien mit kontinuierlicher Kraftstoffzufuhr. Hochtemperatur-Brennstoffzellen bestehen heute meist aus flachen galvanischen Zellen, die zu sogenannten "Stacks" gestapelt werden, um eine höhere Energieleistung zu erzielen. Die Auslegung der Kraftstoff- und Luftzufuhrelemente im makroskopischen und mikroskopischen Maßstab sowie die Abdichtung und Verbindungstechnik der Stack-Komponenten mit Glaskeramik-Loten stellt eine Grundvoraussetzung dar, um die Leistungsfähigkeit der Zellen über lange Zeiträume sicherzustellen. ee

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