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Brennstoffzellen - Typen

Die Carbonatschmelzen-Brennstoffzelle

Eigenschaften und Aufbau

Die Carbonatschmelzen-Brennstoffzelle (englisch Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) gehört zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Sie arbeitet im Temperaturbereich von ca. 620 bis 660°C. Carbonatschmelzen-Brennstoffzellen ermöglichen eine Stromerzeugung mit Wirkungsgraden bis 60%.

Die Elektroden bestehen aus Nickel, der Elektrolyt ist eine Alkalicarbonatschmelze. Als Brenngas kann außer Wasserstoff auch Erd- oder Biogas verwendet werden.

Reaktion

2H2+ 2CO32 2H2O+ 2CO2+ 4e Anodenreaktion O2+ 2CO2+ 4e 2CO32 Kathodenreaktion 2H2+ O2 2H2O Gesamtreaktion

Vor- und Nachteile

Vorteile:

  • Verwendung Kohlenstoff-haltiger Brennstoffe (z.B. Biogas) möglich; damit steht eine große Auswahl an Brennstoffen zur Verfügung
  • kostengünstiges Elektrodenmaterial

Nachteile:

  • langes Anfahren aufgrund der hohen Betriebstemperatur
  • hohe Betriebstemperaturen erfordern temperaturbeständige Materialien

Anwendungen

Blockheizkraftwerke (Kraft-Wärme-Kopplung, also Nutzung des erzeugten Stroms und der Abwärme), Kraftwerke zur Stromerzeugung

Abb.1
Schematische Innendarstellung der MCFC-Testanlage in Berlin Treptow
Mit freundlicher Genehmigung von Vattenfall Europe
Abb.2
Methanol-MCFC-Anlage im Vattenfall-Heizwerk im Berliner Bezirk Treptow
Mit freundlicher Genehmigung von Vattenfall Europe

Am 30. September 2004 hat die Vattenfall Europe Berlin Distribution GmbH zusammen mit seinen Partnern E.ON Energie AG und dem Hersteller MTU CFC Solutions GmbH eine MCFC-Anlage in Betrieb genommen: die weltweit erste mit Methanol betriebene Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Die Anlage wurde im Vattenfall-Heizwerk im Berliner Bezirk Treptow installiert. Sie bietet neben der Verwertung von Erdgas die Möglichkeit, Methanol als Brennstoff einzusetzen. Aus beiden wird der Brennstoff Wasserstoff erzeugt.1) Im bivalenten Betrieb lässt sich das Erdgas-Methanol-Mischungsverhältnis kontinuierlich zwischen 0 und 100% variieren.

Die MCFC wird bei einer Temperatur von rund 650°C betrieben. Der Elektrolyt besteht aus Carbonatsalzen, die ab einer Temperatur von etwa 650°C in flüssiger Form vorliegen. Die Berliner Anlage verfügt über eine elektrische Netzleistung von 220kW und eine thermische von ca. 170kW. Der elektrische Netto-Wirkungsgrad liegt bei Volllast bei 45%, der Gesamtwirkungsgrad einschließlich der Wärmenutzung bei rund 80%.

1)Mit dem Einsatz von Methanol kommt es zu einer Veränderung des Prozesses der Reformierung in der Brennstoffzelle. Anders als Methan, das bei der Reformierung in der Brennstoffzelle endotherm reagiert, verläuft die Reaktion bei Methanol exotherm. Damit sich die Temperatur in der Brennstoffzelle nicht erhöht, ist eine Vorkühlung sowie eine Umwandlung des Methanols in Methan und Wasserstoff in der Vorreformierung erforderlich. Zur Lösung dieser technischen Besonderheit wurde für die Berliner Brennstoffzellen-Anlage ein luftgekühlter Prereformer entwickelt.
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