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Die Heißblütigen…

Schmelzkarbonat- und Oxidkeramik- Brennstoffzellen

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle („Molten Carbonate Fuel Cell“ – MCFC)

MCFCDie Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle gehört zu den Hochtemperatursystemen – erst bei 650°C kommt die Stromproduktion so richtig in Gang. Dafür ist sie absolut unempfindlich gegenüber Kohlenmonoxid und kann daher neben Wasserstoff auch kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe wie Erdgas oder auch Biogas und Klärgas ohne vorherige Reformierung nutzen.

Funktionsweise

Der Elektrolyt der MCFC besteht aus geschmolzenen Karbonaten, meist Lithiumkarbonat und Kaliumkarbonat, die in eine Matrix eingebettet sind. Diese Salzschmelze wird erst bei Temperaturen oberhalb von 480°C flüssig, MCFC brauchen daher eine Betriebstemperatur von rund 650°C. Wegen der hohen Temperatur reichen schon preiswerte Materialien wie Nickel, Nickeloxid, Keramik oder Stahl als Katalysatoren aus, um die Reaktion zu beschleunigen.

MCFC © DOE

Im Gegensatz zu allen anderen Brennstoffzellen sind es bei der MCFC nicht Protonen oder Sauerstoffionen, die durch den Elektrolyten zur Anode wandern, sondern doppelt negativ geladene Karbonationen. Sie entstehen, wenn Luftsauerstoff und Kohlendioxid mit der Salzschmelze reagieren. Einmal an der Anode angelangt, reagieren die Karbonationen mit Wasserstoff zu Wasser und Kohlendioxid. Letzteres kann wieder zur Kathode zurückgeleitet werden und bildet so einen geschlossenen Kreislauf.

Anwendungen

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Wegen der hohen Temperaturen und der durch den internen CO2-Kreislauf relativ aufwändigen Technik lohnen sich MCFC nur für größere Anlagen in Kraftwerken oder der Industrie. Da die MCFC mehrere Stunden Aufheizzeit braucht, ist sie gut für die Grundversorgung mit Strom geeignet, kann aber nicht flexibel auf plötzlichen Mehrbedarf oder Überschuss reagieren. Dafür gehört dieser Typ zu den effektivsten Brennstoffzellen: Da kein externer Reformer gebraucht wird, liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 52-54 Prozent. Durch die hohe Temperatur kann parallel noch eine Dampfturbine angetrieben werden, der Wirkungsgrad steigt dann auf 65 Prozent, wird zusätzlich Kraft-Wärme-Kopplung genutzt, werden sogar 80 Prozent Wirkungsgrad erreicht.

Vor einem kommerziellen Einsatz müssen allerdings noch einige Probleme gelöst werden: Weil die Karbonatschmelze sehr aggressiv ist, greift sie auch das Trennmaterial zwischen den einzelnen Zellen an. Auch die Kathode löst sich noch nach relativ kurzer Zeit auf. Dadurch ist die Lebensdauer der Zellen momentan noch begrenzt.

Oxidkeramische Brennstoffzelle („Solid Oxide Fuel Cell“ – SOFC)

Auch die SOFC ist eine Hochtemperaturzelle, sie arbeitet bei Temperaturen von 800 bis 1.000°C. Im Gegensatz zur MCFC ist sie aber sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen geeignet. Ähnlich wie die MCFC kann auch die SOFC ihren Wasserstoff selbst aus Erdgas und anderen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen erzeugen und braucht daher keinen externen Reformer.

Funktionsweise

SOFC © FZ Jülich

Als Elektrolyt dient der Zelle yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid, ein festes, keramisches Material, das erst bei hohen Temperaturen für Ionen leitfähig wird. Die Elektroden bestehen aus Nickel oder leitfähigen Oxiden. An der Anode wird das Brenngas in Wasserstoff und Kohlenmonoxid zerlegt, dabei werden Elektronen frei, die durch einen Stromleiter zur Kathode wandern. Dort entstehen doppelt negativ geladene Sauerstoffionen, die den Elektrolyten passieren und an der Anode mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu Wasserdampf und CO2 reagieren.

Im Moment existieren unterschiedliche Formen der SOFC: Neben der klassischen, planaren Anordnung der Zellbauteile wird unter anderem eine röhrenförmige SOFC von Siemens-Westinghouse entwickelt und erprobt. Dabei sind Elektroden und Elektrolyt auf der Innenseite des Rohres angebracht. Das Brenngas wird innen hindurchgeleitet, der Luftsauerstoff außen.

Anwendungen

Die oxidkeramische Brennstoffzelle gilt als Zelle mit hohem Entwicklungspotenzial. Sie ist relativ einfach aufgebaut, hat eine hohe Lebensdauer und relativ hohe Effektivität. Wird die Zelle mit einer Dampfturbine kombiniert, steigt ihr Wirkungsgrad von 55-65 auf mehr als 70 Prozent. Allerdings stellen die hohen Temperaturen extreme Anforderungen an das Material, es wird daher zur Zeit versucht, die Brenntemperatur zu reduzieren.

Eingesetzt werden soll sie vor allem in stationären Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung in Ein- und Mehrfamilienhäusern, aber auch in größeren Gebäuden und der Industrie. Auch Großkraftwerke auf der Basis von SOFCs sind in der Entwicklung. Hier wurden bisher Zellen realisiert, deren elektrische Leistung von 1kW bis hin zu mehreren MW reicht.

Auch in Fahrzeugen könnten SOFCs in Zukunft zu finden sein – allerdings nicht als Antrieb, sondern als Ersatz für die Autobatterie. Als Brennstoff könnte der Zelle Benzin dienen, das zuvor entschwefelt und reformiert wurde.

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Stand: 27.07.2002

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