Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Experimente:
Versuch: Funktionsmodell des Natrium-Schwefel-Akkumulators
Diese Brennstoffzellen arbeiten mit festen oxidkeramischen oder mit geschmolzenen
carbonatischen Elektrolyten. Sie benötigen für den Betrieb hohe Temperaturen. Ihr Vorteil ist
das bei hoher Leistungsabnahme bemerkenswert konstante Potential. Ein Teil der Energie fällt
als Wärme an, die in Blockheizkraftwerken zusammen mit der elektrischen Energie genutzt
wird. Außerdem können diese Zellen außer mit Wasserstoff auch mit Methan oder Methanol
betrieben werden, ohne dass diese zuvor zur Bildung von Wasserstoff reformiert werden
müssen.
Dass Membranen aus Keramik oder Glas bei hohen Temperaturen grundsätzlich für Ionen durchlässig sind, kann sehr schön anhand des Natrium-Schwefel-Akkus demonstriert werden (-> Versuch).
Festkeramik- oder Oxid-Brennstoffzelle
(Engl. Solid oxide electrolyte fuel cells; SOFC)
Der Elektrolyt besteht aus Zirkondioxid ZrO2. Die Betriebstemperatur liegt zwischen
850 und 1000 °C.
Das folgende Bild zeigt das vereinfachte Reaktionsschema.
Festkeramik-Brennstoffzelle
Die kleinste Zelleinheit besteht aus dem keramischen Elektrolyten, der wie alle Metalloxide
aus Metall-Ionen (hier Zr4+) und O2--Ionen besteht. Bei 850 °C wird der
Elektrolyt für Sauerstoff-Ionen leitend. Die Schichtdicke beträgt nur 0,2 mm.
Die Anoden und Kathoden sind bei hohen Temperaturen ebenfalls elektrisch leitend. Sie
bestehen z. B. aus Nickel (Anode) oder aus exotischem Material wie Lanthanmanganat
LaMnO3, das mit Strontiumoxid SrO dotiert ist (Kathode). Sie sind porös und
deshalb durchlässig für die Gase Wasserstoff und Sauerstoff.
An der Kathode wird der Sauerstoff reduziert.
½ O2 +2 e- > O2-
Die so entstandenen Sauerstoff-Ionen wandern durch das ZrO2-Gitter zur Anode, wo Wasserstoff zu Wasserstoff-Ionen oxidiert wird. Simultan wird dabei Wasser gebildet, das abdampfen kann.
H2 + O2- > H2O + 2 e-
Die freigesetzten Elektronen wandern über den äußeren Stromkreis durch einen
elektrischen Verbraucher und werden zur Kathode zurückgereicht, wo sie Sauerstoffatome
reduzieren.
Der Wirkungsgrad dieser Anlagen liegt bei 50 bis 60 %.
Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle
(Engl. Molten carbonate fuel cells; MCFC)
Diese Zellen enthalten als Elektrolyten ein geschmolzenes eutektisches Gemisch von
Lithium- und Kaliumcarbonat. Die Matrix für diesen Elektrolyten ist Lithium-Aluminiumoxid. Deren
Schichtdicke liegt unter 1 mm. Die Betriebstemperatur beträgt ungefähr 650 °C. Die folgende Abbildung
zeigt vereinfacht das Schema der in der Brennstoffzelle beim Betrieb ablaufenden Mechanismen.
Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle
Der Kathode wird Sauerstoff zusammen mit Kohlenstoffdioxid zugeführt. Hier wird Sauerstoff reduziert, wobei sich Carbonat-Ionen bilden.
½ O2 + CO2 + 2 e- >CO32-
Diese wandern durch den Carbonat-Schmelzelektrolyten zur Anode, wo sie zusammen mit Wasserstoff-Ionen (gebildet aus Wasserstoff) unter Bildung von Wasser und CO2 reagieren. Letztere dampfen ab.
H2 + CO32- > H2O + CO2 + 2 e-
Die Elektronen werden über den elektrischen Verbraucher zur Kathode weitergereicht.
Mit diesem Zelltyp, dessen Wirkungsgrad bei 45 bis 60 % liegt, wird in der Universität Bielefeld ein Blockkraftheizwerk mit einer Gesamtleistung von 420 kW (elektrisch und thermisch) betrieben.