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Brennstoffzellen

Übersicht



Übersicht

Membran-Typ /
Merkmal
Polymer-Elektrolyt Alkalischer Elektrolyt Phosphorsäure geschmolzenes Karbonat Oxidkeramik
Bezeichnung PEM AFC PAFC MCFC SOFC
Elektrolyt festes organisches Polymer, Polyperfluorsulfonsäure (NAFION) 30-50%ige Lösung von Kaliumhydroxid in einer Matrix konzentrierte Phosphorsäure in einer PTFE Matrix Träger: MgO, LiAlO2

Ionenleiter: Li2CO3, K2CO3, Na2CO3

festes Yttrium-dotiertes Zirkoniumoxid (YSZ)
Anodenmaterial Träger: Carbon

Katalysator: Platin

Träger: Nickel, Kohlenstoff, PTFE, NiO

Katalysator: Silber, Platin/Palladium

Träger: PTFE gebundener Carbon

Katalysator: Platin

Platin, Palladium, Nickel Ni-YSZ-Cermet
Kathodenmaterial Träger: Carbon

Katalysator: Platin

Träger: Kohlenstoff, PTFE, NiO

Katalysator: Silber, Gold, Platin/Palladium

Träger: PTFE gebundener Carbon

Katalysator: Platin

Ag2O, lithiiertes NiO Strontium-dotiertes Lanthanmanganat
Arbeitstemperatur 60 - 100°C 90 - 100°C 175 - 200°C 600 - 1000°C 600 - 1000°C
Vorteile der feste Elektrolyt verringert Korrosion, leichtere Handhabbarkeit, niedrige Arbeitstemperatur, schnelle Betriebsbereitschaft sehr schnelle kathodische Reaktion, somit hohe Leistung Wasserstoff als Brennstoff muß nicht hochrein sein, bis zu 85% Effizienz bei Wärme- und Stromerzeugung hohe Effizienz, größere Auswahl an Brennstoffen und geringere Ansprüche an die Katalysatoren der feste Elektrolyt verringert Korrosion, leichtere Handhabbarkeit, hohe Effizienz, größere Auswahl an Brennstoffen und geringere Ansprüche an die Katalysatoren
Nachteile niedrige Betriebstemperatur erfordert leistungsfähige und teure Katalysatoren Kohlendioxid muss aus Brennstoff vollständig entfernt werden Platin Katalysatoren, niedrige Leistung, hohes Gewicht hohe Temperaturen verursachen Korrosion, hohe Ansprüche an Zellaufbau hohe Ansprüche an Zellaufbau
Anwendung transportable Stromerzeugung Militär, Raumfahrt Stromerzeugung für Transport Stromerzeugung allgemein Stromerzeugung allgemein


Polymer-Elektrolyt-Membran - Brennstoffzelle (PEM polymer electrolyte membrane) 1000 mA/cm2 und 0,7 V (700 mW/cm2)
Eine ca. 0,1 mm dünne perfluorierte Membran (z.B. Nafion® der Firma DuPont) übernimmt in der PEM-Brennstoffzelle die Funktion des Elektrolyten, wobei sie den Ionentransport durchführt und dabei nur Protonen leitet. Im Vergleich zur alkalischen Technik ersetzt sie den sonst üblichen flüssigen Elektrolyten Kalilauge. Der Vorteil von Polymermembranen gegenüber Kalilauge als Elektrolyt ist neben einer Systemvereinfachung vor allem die damit erreichte höhere Leistungsdichte. Darüber hinaus ist eine PEM-Brennstoffzelle im Vergleich zu einer alkalischen Einheit unempfindlich gegenüber Verunreinigungen durch Kohlendioxid (CO2), wodurch auf die Verwendung sehr reiner Reaktionsgase verzichtet werden kann und damit auch ein Brennstoffzellenbetrieb mit Luft möglich ist.
Reformer und Shift-Konverter müssen vorgeschalten werden, falls Wasserstoff nicht direkt eingesetzt wird (z.B. Methanol als Brennstoff).
Anode: H2 -> 2 H+ + 2e-
Kathode: ½ O2 + 2 H+ + 2e- -> H2O
Reformer: CH4 + H2O -> CO + H2
Shift-Konverter: CO + H2O -> CO2 + H2

Alkalische Brennstoffzelle (AFC alkaline fuel cell)
Dieser Typ wurde bisher nur von der NASA kommerziell genutzt. Aufgrund der hohen Herstellungskosten ist diese Brennstoffzelle nur für Spezialanwendungen geeignet.
Anode: H2 -> 2 OH- + 2e- -> 2 H2O + 2 e-
Kathode: ½ O2 + H2O + 2e- -> 2 OH-

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC phosphoric acid fuel cell) 350 mA/cm2 und 0,6 V (210 mW/cm2)
Dies ist die am meisten kommerzialisierte Brennstoffzelle. Die erhöhten Temperaturen von bis zu 200 °C haben eine erhöhte Toleranz gegenüber CO (1,5 Vol.-% Peak-Belastung) zur Folge. Das Entwicklungspotential von phosphorsauren Brennstoffzellen ist bereits ausgereizt und der elektrische Wirkungsgrad ist bei den erwähnten Leistungsgrößen von 200 kW mit 40 % limitiert. Zur Markteinführung der phosphorsauren Brennstoffzellentechnik haben IFC und Toshiba die Tochtergesellschaft ONSI gegründet, welche die Produktion und den Vertrieb von kompakten 200 kWel Anlagen durchführt.
Reformer und Shift-Konverter müssen vorgeschalten werden, falls Wasserstoff nicht direkt eingesetzt wird (z.B. Methanol als Brennstoff).
Anode: H2 -> 2 H+ + 2e-
Kathode: ½ O2 + 2 H+ + 2e- -> H2O
Reformer: CH4 + H2O -> CO + H2
Shift-Koverter: CO + H2O -> CO2 + H2

Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (MOFC molten carbonate fuel cell) 160 mA/cm2 und 0,75 V (120 mW/cm2)
Die Lebensdauer von MCFC-Anlagen stellt das wesentliche Problem dieser Technologie dar. Dies gründet sich vor allem auf die Instabilität der Kathode (Auflösung), der Korrosion des Separators und der Deformation der Elektrolytmatrix.
Die Reformierungsschritte vereinfachen sich im Vergleich zu phosphorsauren und Polymer-Elektrolytmembran Brennstoffzelle. Die Betriebstemperatur von 600 °C macht es möglich, daß die Shift-Reaktion (CO + H2O -> CO2 + H2) in den Brennstoffzellenstack verlagert werden kann. Die Abwärme der Brennstoffzelle wird somit für die endotherme Reformierungsreaktion genutzt.
Anode: H2 + CO32- -> H2O + CO2 + 2e-
Kathode: ½ O2 + CO2 + 2e- -> CO32-
Vor-Reformer: CH4 + H2O -> CO + H2

Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC solid oxide fuel cell) 200 mA/cm2 und 0,7 V (140 mW/cm2)
Oxidkeramische Brennstoffzellen bilden neben den Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzellen jenes System mit festen Elektrolytsystem, woraus sich wesentliche Vereinfachungen bei der Betriebsführung der Brennstoffzelle ergeben. Außerdem haben die hohen Betriebstemperaturen > 800 °C den Vorteil, daß der gesamte Reformierungsschritt bei Verwendung von Methan als Brennstoff in die Zelle integriert werden kann.
Anode: H2 + O2- -> H2O + 2e-
CO + O2- -> CO2 + 2e-
CH4 + 4 O2- -> 2 H2O + CO2 + 8 e-
Kathode: ½ O2 + 2e- -> O2-


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