HITTEC: Turbo für Brennstoffzellen durch thermoelektri­sches Energy Harvesting

(9.4.2013) 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, der Brennstoffzellensysteme effi­zienter macht: Bis zu 10 Prozent Extraleistung sollen sie dadurch liefern.

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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. Andre Heel, Chemie-Ingenieur und Forschungskoordinator der strategischen Part­nerschaft zwischen Empa und Hexis AG, hat anderes im Sinn: Mit thermoelektrischen Konvertern möchte er thermoelektrisch aus (Ab-)Wärme Strom gewinnen. „Dies erhöht nicht nur den Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems“, so Heel. „Hoch­effiziente Energiewandlungstechnologien helfen darüber hinaus am effektivsten, unsere fossilen und erneuerbaren Ressourcen einzusparen.“

Unter Heels Leitung hat die Empa im Sommer 2012 mit Hexis das vierjährige Projekt HITTEC gestartet. Es 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.

TEC und HITTEC (High Temperature Thermoelectric Converter)

Ein Thermokonverter wird wie ein Pflaster an heißen Oberflächen angebracht und kann (zusätzlichen) Strom liefern (vergrößern)
  

TECs sind bereits im Handel erhältlich. Wie Heftpflaster werden sie auf wärmeabstrahlende Wände von Motoren oder Öfen „ge­klebt“. Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Halbleiterma­terialien. Wenn diese unterschiedlich warm sind, 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.

Als ideale Kandidaten gelten perowskitartige Metalloxide. 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 sie, weil sie che­misch und thermisch stabil und ungiftig sind und in grösseren Mengen günstig produ­ziert werden können. In Vorarbeiten hatte das Team Verbindungen aus Calzium-Man­ganat, das mit Wolfram substituiert wurde, als besonders erfolgversprechend identi­fiziert.

Eigens für die Hochtemperatur-TECs wurde an der Empa auch eine neuartige Mess­anlage entwickelt. Darin werden die HITTEC-Module extrem hohen Temperaturen aus­gesetzt. So ist schnell zu sehen, wo es Knackpunkte gibt. So müssen etwa die Löt­stellen, die das neu entwickelte Material mit den Stromdrähten verbinden, neu über­dacht werden: Übliche Lote schmelzen nämlich bei diesen Temperaturen.

Eigens für die Hochtemperatur-TECs wurde an der Empa auch eine neuartige Messanlage entwickelt. 

Die Materialforscher sehen in ihrer Vision für die Zukunft noch anderes vor: „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 ganz neues System entwickeln. 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.

Für dieses Projekt braucht es vielfältiges Know-how. Beigesteuert wird es von der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), von der EPF Lausanne und von der ETH Zürich. Diese Forschungspartner kümmern sich um das Design von Modulen und Materialien und geben vor, wie sich die Materialien in der SOFC am bes­ten einsetzen lassen. Daraus wird man gemeinsam mit Hexis Prototypen bauen. Nach Einschätzung von HITTEC-Projektleiter Heel könnten SOFC-Systeme mit dem Einsatz von Konvertern bis zu 10 Prozent Extraleistung erbringen.

Weitere Informationen zu Brennstoffzellen können per E-Mail an Hexis angefordert werden.