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Brennstoffzellen - Typen

Die oxidkeramische Brennstoffzelle

Eigenschaften und Aufbau

Die oxidkeramische Brennstoffzelle (englisch Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) gehört zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Sie arbeitet im Temperaturbereich von ca. $800$ bis $1.000 °C$ und erzielt Wirkungsgrade bis $60 %$ .

Der keramische Elektrolyt besteht meist aus Zirconiumdioxid ( $Zr O_{2}$ ). Dieses wird mit Yttriumoxid ( $Y_{2} O_{3}$ ) versetzt, wodurch Lücken im Zirconiumdioxid-Kristallgitter entstehen, durch die bei hohen Temperaturen Sauerstoff-Ionen wandern können. So wird der feste Elektrolyt leitfähig.

Die porösen keramischen Elektroden bestehen auf der Anodenseite meist aus Zirconiumoxid mit Nickel und auf der Kathodenseite aus elektrisch leitfähigen Oxiden (meist Strontium-dotiertes Lanthan-Mangan-Mischoxid $La Mn O_{3}$ ). Als Brenngase können neben Wasserstoff auch Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Dadurch ist die Auswahl an Brennstoffen größer als bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Es kann z.B. Erdgas oder Biogas genutzt werden.

Reaktion

\begin{matrix} 2 H_{2} + 2 O^{2 -} & \to & 2 H_{2} O + 4 e^{-} & Anodenreaktion \\ O_{2} + 4 e^{-} & \to & 2 O^{2 -} & Kathodenreaktion \\ 2 H_{2} + O_{2} & \to & 2 H_{2} O & Gesamtreaktion \end{matrix}

Vor- und Nachteile

Vorteil:

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

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 und auch Hausenergieversorgung, aber auch portable Lösungen zur Stromversorgung von Lkw

Abb.1: Ein SOFC-Hilfsaggregat von Delphi soll 2012 auf den Markt kommen.

Mit freundlicher Genehmigung von Delphi

Abb.2: Die Delphi-Brennstoffzelle soll z.B. Lkw mit Strom versorgen.

Mit freundlicher Genehmigung von Delphi

Die US-amerikanische Firma Delphi Automotive hat ein Hilfsaggregat aus oxidkeramischen Brennstoffzellen entwickelt (Abb. 1) , das 2012 auf den Markt kommen soll. Es ist für eine Leistung von bis zu $5 W^{k}$ ausgelegt und soll mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden können - etwa Erdgas, Diesel, Biodiesel, Propan und Benzin. Es kann $110 V$ Wechselspannung und/oder $12 V$ Gleichspannung liefern. Als Einsatzgebiet nennt Delphi die Transportindustrie - etwa als Stromversorgung für Lkw (Abb. 2) .