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Brennstoffzellen - Typen

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle

Eigenschaften und Aufbau

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (englisch Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle. Sie kann mit Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen und Luftsauerstoff betrieben werden.

Die Elektroden bestehen aus einem porösen Graphit-Träger, auf den eine poröse Schicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Ruß und Platin-Partikeln als Katalysator aufgebracht wird. Als Elektrolyt wird hochkonzentrierte Phosphorsäure (oft sogar $100 %$ $H_{3} P O_{4}$ ) eingesetzt, die in einer Matrix aus PTFE und Siliciumcarbid gebunden ist. Die PAFC arbeitet im Temperaturbereich von ca. $160$ bis $220 °C$ und erzielt Wirkungsgrade um $50 %$ .

Reaktion

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

Nachteil:

geringerer Wirkungsgrad gegenüber allen anderen Brennstoffzellen-Typen (außer der DM-Brennstoffzelle)

Anwendungen

stationäre Stromversorgung, Blockheizkraftwerke (Kraft-Wärme-Kopplung, also Nutzung des erzeugten Stroms und der Abwärme)

Zoom

Abb.1: Innenansicht eines PureCell-Model-400-Systems: Erdgas strömt aus Tanks durch den Reformer, wo Wasserstoff erzeugt wird, der dem Brennstoffzellen-Stapel zugeführt wird.

Mit freundlicher Genehmigung von UTC Power

Abb.2: Kraftwerk mit zwölf PureCell-Model-400-Brennstoffzellen mit einer Gesamtleistung von $4,8 MW$ in Anyang in Südkorea

Mit freundlicher Genehmigung von UTC Power

Die US-amerikanische Firma UTC Power, ein Tochterunternehmen der United Technologies Corp., verkauft das Blockheizsystem PureCell Model 400: eine stationäre Phosphorsäure-Brennstoffzelle mit einer Leistung von $400 kW$ (Abb. 1) . Sie erzeugt nicht nur Strom mit einer Wechselspannung von $480 V$ , sondern nutzt auch die Abwärme zum Heizen von Gebäuden oder Erhitzen von Wasser. Sie erzielt einen Gesamtwirkungsgrad von rund $90 %$ , der Wirkungsgrad für die Stromerzeugung beträgt etwa $38 %$ .

In Anyang in Südkorea steht eines der größten Brennstoffzellen-Kraftwerke der Welt (Abb. 2) : Die GS Power Plant von Samsung Everland umfasst zwölf PureCell-Model-400-Brennstoffzellen, die zusammen $4,8 MW$ leisten und den Strombedarf von $5 %$ der Stadtbevölkerung decken (rund $40.000 MW h$ pro Jahr). Zudem produziert das Kraftwerk etwa $21.000 MJ h^{-1}$ an nutzbarer thermischer Energie.