Grundlagen über Brennstoffzellen

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SOFC Feststoffbrennstoffzellen "solid oxide fuel cell"

Wirkungsgrad von über 60%, zusätzlich Kombination mit Dampfturbine möglich.
Elektrolyt besteht aus keramischem Material wie z.B. Ytrium stabilisiertes Zirkonoxid.
Dient als Sauerstoffionenleiter O^2-.
Muss für Protonen H⁺ undurchlässig sein.
Arbeitstemperatur 800-1000°C, da Leitfähigkeit von Ionenleitender Keramik bei Raumtemp äußerst gering.
Leistung von 1-500kW
Einsatzgebiete: Notstromversorgung, Bordnetz im Auto oder Flugzeug, Heizungssysteme mit Stromproduktion für Häuser, Brennstoffzellenkraftwerke mit Leistungen bis zu 1MW
Weist den höchsten Wirkungsgrad aller Brennstoffzellen auf. (Wieviel?)
Betrieb mit Luft oder Sauerstoff möglich, sowie Methanol, Methan und allen anderen Brennstoffen, bei denen der Wasserstoff bei so hohen Temperaturen direkt in der Zelle erzeugt wird.
Es ist kein teueres Katalysatorsystem für ihren Betrieb erforderlich.
Temperatur sehr hoch und daher hoher Verschleiß der Materialien, die hinsichtlich der Temperaturen bezüglich Dichtigkeit und Stabilität ohnehin sehr begrenzt auswählbar sind.

Wirkungsgrad ca. 60 %
Membran als Protonenleiter H⁺
Membran undurchlässig für Sauerstoffionen O^2-
Betriebstemperatur bis 80°C
Zum Betrieb ist reiner Wasserstoff nötig
Sauerstoff kann aus einem Speicher oder aus der Luft stammen
Höhere Zellspannung bei Verwendung von Sauerstoff
Problem des Wasserhaushalts, v.a. bei Temperaturen nahe. Membran muss zum Betrieb feucht gehalten werden.
Abhilfe schafft ein neues System der Firma PEMEAS. Die Membran arbeitet mit Phosphorsäure und ist von zwei porösen Kohleschichten eingefasst, so genannten "gas diffusion layers" (GDL)
Zum Betrieb aller Zellen sind Platinkatalysatoren auf beiden Seiten notwendig.
Vorteile sind die hohe Energiedichte, der hohe Entwicklungsstand und die geringe Betriebstemperatur
Nachteile sind die Notwendigkeit sehr reinen Wasserstoffs, teurer Edelmetallkatalysatoren und dem sehr hohen Membranpreis.
Anwndungsgebiete von 10W bis 100kW, von portabel, stationär, Autos und U-Boote.

Weiterentwicklung der PEM Brennstoffzelle
Für kleinere Systeme, aber auch für Fahrzeuge ist ein leicht handhabbarer Brennstoff von Vorteil.
Es wurde deshalb in den letzten Jahren vermehrt versucht, Wasserstoff durch flüssige Wasserstoffhaltige Verbindungen wie Methanol zu ersetzen.
Aufbau von PEMFC und DMFC ist sehr ähnlich, es wurden nur Membran udn Zusammensetzung der Elektrodenbeschichtung für den Kraftstoff optimiert.

AFC "alkaline fuel cell" => Mondlandung und Space-Shuttle: Erzeugt Wärme, Strom und Wasser. Kalilauge transportiert OH^- Ionen, sehr reine Gase notwendig. Ca. 80°C
PAFC "phosphoric acid fuel cell" => Marktreif. Leistungen bis 250kW bei Kraftwärmekopplung. Ca. 200°C. Phosphorsäure dient als Leiter von H⁺. Relativ schlechter Wirkungsgrad.
MCFC "molten carbonate fuel cell" => Hoher Wirkungsgrad. Ca. 650°C. Sauerstoff wandert als Karbonation CO₃^2- durch den Elektrolyten, deshalb wird das Luft-Kohlendioxid gebraucht. Auf der Wasserstoffseite wird CO₂ zusammen mit H₂O wieder frei gesetzt.

Wandler und Speicher getrennt. Daher ist die Leistung nicht von der Energie und anders herum abhändig.
Für große Energien sind Brennstoffzellen im Vorteil, wohingegen für große Ströme Batterien zu bevorzugen sind.