Mittel und Hochtemperatur Brennstoffzellen

Fach Chemie

Klasse 11

Autor Wimmer96

Veröffentlicht am 01.11.2018

Schlagwörter

Brennstoffzellen

Zusammenfassung

Teil dieses Referat ist einen Überblick über die verschiedenen Arten von Mitteltemperatur und Hochtemperatur Brennstoffzellen zu geben und zu zeigen wie dieses in der Realität funktionieren und Anwendung finden.

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Mitteltemperatur-Brennstoffzelle

Als nächstes wird eine Zelle betrachtet, die in den Bereich der Mitteltemperatur-Brennstoffzellen fällt. Der einzige Unterschied zu den Niedrigtemperatur-Zellen besteht in der höheren Betriebstemperat
1 PAFC-Brennstoffzelle
Hierzu zählt die Phosphorsäure Brennstoffzelle, kurz PAFC, die mit Phosphorsäure als Elektrolyt, welche in Gelform vorliegt, betrieben werden kann. Da bei diesem Typen eine Säure als Elektrolyt vorliegt, wird der Einsatz von kohlenstoffdioxidhaltigen Gasen möglich gemacht, da die Säure nicht in der Lage ist mit dem Elektrolyten zu reagieren. Da diese Zelle bei einer Temperatur von 200 Grad Celsius arbeitet, besitzt sie im Vergleich zu anderen Zellen eine deutlich höhere CO-Toleranz. Als Brennstoff dieser Zelle wird meistens Wasserstoff aus reformierten Erdgas, und Luftsauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Allerdings ist es auch möglich flüssige Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Naphta zu verwenden. Die Elektroden, die hierbei verwendet werden, sind aus Kohlematerialien, auf die Edelmetallpartikel aufgebracht werden, welche später katalytisch aktiviert werden. Da bei diesem Zellentypen Phosphorsäure eingesetzt wird und diese eine sehr starke Säure ist, ist es nur unter der Verwendung von Platin oder Gold als Katalysator möglich die Zelle unfallfrei zu betreiben. Auch hinsichtlich des Elektrolyten gibt es eine Besonderheit, da dieser ganz im Gegenteil zur AFC-Brennstoffzelle nicht als Flüssigkeit durch die Zelle geleitet, sondern von einem Kunststoffvlies aufgesaugt und damit zwischen die Elektroden geführt wird. Der restliche Teil, aus dem die Zelle aufgebaut ist besteht aus Graphit beziehungsweise Kunststoff. Hinsichtlich des Wirkungsgrades kann gesagt werden, dass sich dieser Typ verglichen mit den bis jetzt erwähnten Zellen, in einem eher niedrigen Bereich bewegt. Auf die Frage wofür sich dieser Typ der Brennstoffzelle eignet, hat sich herausgestellt, dass er darauf eigentlich nur eine sinnvolle Antwort gibt, nämlich zur Strom- und Wärmeerzeugung. Bereits in den 1970er Jahren wurde mit der Forschung an diesen Zellen begonnen und genau aus diesem Grund ist die Phosphorsäure-Brennstoffzelle heute die am weitest entwickelte Zelle in diesem Bereich.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Nun geht es erneut in einen neuen Bereich der Brennstoffzellentypen. Nämlich zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen, welche sich wiederum in der Arbeitstemperatur, bei der sie betrieben werden, von den bisher genannten unterscheidet. Diese Typen arbeiten bei Temperaturen von 650-1000 Grad Celsius. Der Vorteil, den diese Systeme mitbringen liegt in der deutlich größeren Vielfalt der Brennstoffe, die hierbei genutzt werden können.

1 MCFC-Brennstoffzelle
Im Folgenden wird nun die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, kurz MCFC, etwas genauer unter die Lupe genommen. Der Elektrolyt besteht aus geschmolzenen Karbonaten, wie zum Beispiel Lithiumkarbonat oder Kaliumkarbonat. Das Problem, das sich allerdings bei der Verwendung solcher Elektrolyten ergibt, ist, dass die Alkalikarbonate selbst hochkorrosiv sind und zudem auch sehr viele Materialien angreifen. Die Elektroden bestehen auf beiden Seiten aus Nickel, das beim Start der Zelle zu Nickeloxid oxidiert. Eine Besonderheit, die diese Zelle bietet ist, dass das kohlenstoffdioxidhaltige Anodenabgas mit dem Sauerstoff, der an der Kathode eingeleitet wird , vermischt wird und so zu Karbonationen reagiert, die als Ladungsträger durch den Elektrolyten fungieren. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen kann auf Edelmetallkatalysatoren, wie zum Beispiel Platin, verzichtet werden. Dies führt dazu, dass die MCFC aus preiswerten Materialien aufgebaut werden kann. Rein theoretisch ist diese Zelle auch im Stande Erdgas oder Kohlegas ohne vorherige Reformierung zu verarbeiten, dies gestaltet sich jedoch sehr schwierig. Da dieses System aufgrund ihrer Betriebstemperatur einen relativ hohen Wirkungsgrad bietet, eignet sie sich vor allem für die Nutzung und Anwendung im Bereich der Blockheizkraftwerke und sollte die Forschung in den nächsten Jahren weiter voranschreiten auch in Großkraftwerken. Derzeit gibt es einige Demonstrationsanlagen, deren Leistung im Bereich bis zu zwei Megawatt liegt. Das Problem, das sich dabei allerdings ergibt liegt bei der Dauer, die die Zelle benötigt um sich auf zu heizen. Denn dieser Vorgang dauert zum jetzigen Zeitpunkt mehre Stunden und die Zyklenfestigkeit ist sehr gering. Unter einem Zyklus versteht man den Vorgang des Aufheizens, des Betriebes und des Abkühlvorganges. Aus diesem Grund sollte die MCFC immer auf Betriebstemperatur gehalten werden, da sie sonst sehr schnell ihre Funktionsfähigkeit verliert.

2 SOFC-Brennstoffzelle
Die letzte betrachtete Brennstoffzelle ist die Oxidkeramische Brennstoffzelle, die soge-nannte SOFC. Betrieben wird dieses System bei einer Temperatur von 1000 Grad Celsius. Diese ist notwendig um eine ausreichende Leitfähigkeit des Elektrolyten zu gewährleisten. Dieser besteht aus einem gasdichten, keramischen Feststoff, wie zum Beispiel yttriumsta-bilisirtes Zirkonoxid. Der Katalysator besteht auf der Anodenseite aus Nickel-Zirkonoxid und auf der Kathodenseite aus Mischoxiden, wie etwa Lanthan-Strontium-Manganat. Wie auch schon bei der MCFC können auch hier CO-haltige Gasgemische, wie Erdgas und Bio-gas, verwendet werden. Jedoch können bei diesem System höhere Stromdichten erreicht werden als bei der Schmelzkarbonat-Zelle, was der höheren Betriebstemperatur zu ver-danken ist. Da die Kosten für die Bestandteile der Zelle extrem hoch sind, denken die herstellenden Firmen über eine Reduzierung der Betriebstemperatur auf etwa 600-800 Grad Celsius nach, da hierbei der Verschleiß nicht so hoch ist und das System so eine län-gere Lebensdauer hat. Allerdings weist der Elektrolyt dabei eine geringere Leitfähigkeit auf, was Einflüsse auf die Stromdichte hat. Jedoch ergeben sich aus der hohen Betriebs-temperatur auch einige weitere Probleme, da keine großen Elektrodenflächen bezie-hungsweise Rohrdurchmesser verwendet werden können, da die verwendbaren Materia-lien der großen Hitze nicht standhalten können und auch viel schneller korrodieren wür-den. Zusätzlich dauert der Vorgang die Zelle auf zu heizen – ähnlich wie bei der MCFC- mehrere Stunden und die Zyklenfestigkeit ist sehr gering. Bezüglich des Wirkungsgrades besteht beim derzeitigen Entwicklungsstand noch Nachholbedarf, jedoch ist das Potenzial dieser Zelle sehr groß. Entwicklungstechnisch gesehen, ist die SOFC von allen Brennstoff-zellentypen die am wenigsten weit entwickelte. Zukünftig könnte die Oxidkeramische-Brennstoffzelle im Bereich der Energieerzeugung und in der Kraft-Wärme-Kopplung ein-setzbar sein. Seit Dezember 1997 werden hierzu zwei Module mit einer Leistung von 106 kW und 80 kW von der Firma Westinghouse getestet. Außerdem wurde im Jahre 1998 bei der Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH (DEW) eine Testanlage mit 1 kW von der Firma Sulzer-Hexis installiert und getestet.

Quellenangaben

Angelika Heinzel, Falko Mahlendorf, Jürgen Roes,  Brennstoffzellen , Entwicklung, Technolo    gie, Anwendung , Auflage 3.,völlig überarbeitete und erweiterte Auflage, 2006 Heidelberg, C.F. Müller

- Dagmar Oertel, Torsten Fleischer, Brennstoffzellen-Technologie, Beiträge zur Umweltgestaltung A; Bd. 146, 2001 Berlin, Erich Schmidt Verlag

- http://www.chemieunterricht.de/dc2/fc/

- http://www.chempage.de/theorie/bz.htm   

- http://protectfuture.wordpress.com/2012/04/29/der-klimawandel-und-seine-probleme/

- http://schmidt-walter.eit.h-da.de/WBZ/afc2.pdf

-https://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab051.pdf

gema.jimdo.com/app/download/7665134086/Pr%25C3%25A4sentation%2BDer%2BTreibhauseffekt.pdf%3Ft%3D1401979286+&cd=5&hl=de&ct=clnk&gl=de&client=firefox-a

- Paschen von Flotow, Ulrich Steger, Die Brennstoffzelle – Ende des Verbrennungsmotors ?: Automobilhersteller und Stakeholder im Vergleich, 2000 Wien, Stuttgart, Bern, Paul Haupt, Umwelt und Verkehr; Band3

- Peter Kurzweil, Brennstoffzellentechnik Grundlagen, Komponenten Systeme, Anwendungen, 2003 Wiesbaden, Vieweg