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Elektrochemische Zellen und Mikrostrukturen

Brennstoffzellen wandeln Brennstoffe wie Wasserstoff, Erdgas oder Methanol elektrochemisch kontinuierlich in elektrische Energie und Wärme um. Sie lassen sich als Batterieersatz in portablen elektronischen Geräten, zur Bereitstellung von Wärme und Strom in Haushalten sowie als Energiequelle für Elektroantriebe nutzen.

Aufgrund ihrer flachen Bauform werden Brennstoffzellen meist in Reihe zu ganzen Brennstoffzellenstapeln zusammengeschaltet. Da die Anzahl der verwendeten Zellen variiert werden kann, verfügen Brennstoffzellensysteme über eine gute Skalierbarkeit, d.h. sie können für Anwendungen mit verschiedenem Energiebedarf angepasst werden. Ausserdem sind elektrische Wirkungsgrade von über 60 % möglich. Der Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks beträgt im Mittel nur 31 %. Obwohl das Funktionsprinzip aller Brennstoffzellen gleich ist, unterscheiden sie sich stark in der Wahl der verwendeten Materialien und in ihrer Betriebstemperatur. So werden Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) bei über 500 ºC betrieben. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) hingegen laufen bei unter 100 ºC.

Mittlerweile wurden erste Brennstoffzellenanwendungen in den Markt eingeführt, beispielsweise im Bereich der Brennstoffzellen-Heizgeräte. Grosse kommerzielle Erfolge konnten bisher jedoch noch nicht erzielt werden. Noch gilt es, die Herstellkosten weiter zu senken, aber auch die Robustheit und Lebensdauer der Systeme weiter zu verbessern. Das ICP unterstützt diese Entwicklung mithilfe von Multiphysik-Computermodellen. Sie helfen, die grosse Anzahl der in Brennstoffzellen ablaufenden chemischen, thermischen, elektrischen, mechanischen und fluidischen Prozesse abzubilden und so Schwachstellen zu erkennen und das Potential von Verbesserungen vorherzusagen. Daneben werden am ICP auch Modelle für photoelektrochemische Zellen (PEC) entwickelt, in denen Solarenergie zur Wasserspaltung genutzt wird. Strategische Partnerschaften existieren im Bereich der SOFC-Forschung mit der Hexis AG, Winterthur, im Bereich der PEFC-Forschung mit dem Paul Scherrer Institut Villigen (PSI), und im Bereich der PECs mit der EPF Lausanne.

Das Bild zeigt ein Brennstoffzellen Heizgerät der Firma Hexis, zusammen mit einer Illustration der Mikrostruktur und eine Graphik mit dem Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle
Veränderungen der Mikrostruktur von Brennstoffzellen-Elektroden führen zur Degradation von elektrischen Leistung. Am ICP entwickelte, physikallische Computermodele helfen, Degradationsmechanismen zu quantifizieren und Lösungseinsätze für deren Vermeidung zu finden.