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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% H3PO4) 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

2H2 4H++ 4e Anodenreaktion O2+ 4H++ 4e 2H2O Kathodenreaktion 2H2+ O2 2H2O Gesamtreaktion

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)

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 4,8MW 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 400kW (Abb. 1) . Sie erzeugt nicht nur Strom mit einer Wechselspannung von 480V, 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 4,8MW 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.

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