Hitzebeständige Super-Brennstoffzelle:
Neuer Rekord bei 5000 Stunden

Moderne Stromnetze brauchen Technik, die Strom nicht nur liefert, sondern auch puffert. Eine neu entwickelte Brennstoffzelle schafft beides - selbst unter Hitze und Dampf, wo bisherige Systeme längst ausfallen. Das klappt auch im 5000-Stunden-Betrieb - ein Rekord.

Energienetz 2.0: Neue Brennstoffzelle trotzt Hitze

Energie aus Wind und Sonne kommt auch, wenn sie gerade keiner braucht - und kann genau dann fehlen, wenn die Nachfrage steigt. Um solche Schwankungen im Stromnetz auszugleichen, braucht es Technik, die nicht nur Strom erzeugen, sondern auch speichern kann. Eine neu entwickelte, hitzefeste Brennstoffzelle schafft beides - und funktioniert dabei ganz anders als herkömmliche Wasserstoffzellen, die auf Elektrolyse bei niedrigen Temperaturen setzen.

Diese besondere Brennstoffzelle nutzt Wasserstoff und Wasserdampf als Basis. Sie funktioniert bei großer Hitze und hoher Luftfeuchtigkeit - Bedingungen, unter denen herkömmliche Materialien oft schnell versagen, die in industriellen Anwendungen aber oft nicht zu vermeiden sind. Diese sogenannte "protonische keramische elektrochemische Zelle", kurz PCEC, galt lange als zukunftsweisend, doch bisher hielten ihre empfindlichen Schichten dem Dauerbetrieb nicht stand.


Denn wo die Temperatur steigt, dehnen sich Elektroden und Elektrolyte unterschiedlich aus, Wasserdampf dringt ein, Verbindungen lösen sich. Die Folge: Die winzigen Wasserstoffionen kommen nicht mehr durch. Das System bricht zusammen, noch bevor es in den Dauerbetrieb übergehen kann. Wegen dieser Hindernisse steckte die Technologie in der Entwicklungsphase fest.

Hier setzt ein Team der West Virginia University (WVU) an. Unter der Leitung von Xingbo Liu entwickelte es eine neuartige Zellarchitektur: eine "konformal beschichtete Gerüststruktur" (conformally coated scaffold, CCS). Elektrolyt und Elektrode werden dabei nicht mehr nur aneinandergepresst, sondern durchgängig miteinander verbunden und durch eine spezielle, dampfresistente Beschichtung stabilisiert. Protonen, Wärme und Strom durchdringen die Zellstruktur jetzt gleichmäßig.

Gut getestet

Die Ergebnisse sind ein technischer Meilenstein: Über 5.000 Stunden lief ein Prototyp bei 600 Grad Celsius und 40 % Luftfeuchtigkeit - ein Rekord für PCEC-Systeme. Zum Vergleich: Frühere Designs versagten spätestens nach 1.833 Stunden - mit spürbarem Leistungsverlust. Das neue System schaltete zudem regelmäßig zwischen Stromproduktion und Speicherung um - in Zyklen von je zwölf Stunden. Auch ein größerer Versuchsaufbau mit integrierter Wasserstoffspeicherung blieb stabil.

Verantwortlich für den Fortschritt ist die gezielte Materialwahl: Bariumionen sorgen dafür, dass die Beschichtung Wasser speichert - wichtig für die Protonenleitung. Nickelionen stabilisieren die Zellform bei hohen Temperaturen. Weil die Zelle mit Wasserdampf arbeitet, kann sie auch mit salzigem oder minderwertigem Wasser betrieben werden - ein Pluspunkt für die industrielle Nutzung in Regionen ohne sauberes Wasser. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.


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