Alkalische Brennstoffzelle AFC Die AFC (Alkaline Fuel Cell) ist eine technisch ausgereifte Brennstoffzellenart, die in den 50er und 60er Jahren dieses Jahrhunderts für die NASA entwickelt wurde, und im Apolloprojekt zum Einsatz kam. Die AFC verwendet als Brennstoff reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff als Oxidationsmittel. Als Elektrolyt kommt eine wäßrige Kalilauge (in Wasser gelöstes KOH) zum Einsatz. Leider verhindert dies die Verwendung von Luft, da der CO 2 -Anteil der Luft zu einer Karbonatbildung im Elektrolyten führen würde. Die AFC wird bei einer Temperatur von weniger als 100°C betrieben und erreicht Betriebsdauern von bis zu 15.000 Stunden. Die ablaufenden Reaktionen lauten : An der Kathode: 1⁄2 O 2 + H 2 O +2 e – → 2 OH – An der Anode: H 2 + 2 OH – → 2 H 2 O + 2 e – . Die Vorteile der AFC sind die niedrige Temperatur, die ebenfalls niedrigen Kosten und der hohe Wirkungsgrad. Von Nachteil ist allerdings die CO 2 – Empfindlichkeit, die einen Luftbetrieb ohne Vorreinigung verbietet.
Karbonatschmelze Brennstoffzelle MCFC
Auch die MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) hat schon einen hohen technologischen Entwicklungsstand. Als Brennstoff verwendet sie ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel. Der Elektrolyt besteht aus einer binären Schmelze von Li 2 CO 3 und K 2 CO 3 , die in einer Matrix von LiAlO 2 fixiert wird. Die Betriebstemperatur beträgt ca. 650° C. Die elektrochemischen Teilreaktionen sind : An der Kathode: CO 3 2- + H 2 → H 2 O +CO 2 + 2 e – An der Anode: 1⁄2 O 2 +CO 2 +2e – → CO 3 2- Das Wasser wird auch hier an der Anode gebildet, zusammen mit Kohlendioxid, das in einem Kreislauf wieder der Kathode zugeführt wird. Die hohe Betriebstemperatur der MCFC ist vorteilhaft. Sie ermöglicht eine interne Reformierung, und damit den Einsatz von unreformierten Brennstoffen. Die Abwärme, die auf hohem Temperaturniveau entsteht, wird einem Dampfprozeß zugeführt und erhöht so den Systemwirkungsgrad. Die hohen Temperaturen führen allerdings auch zu Korrosion, was die Werkstoffhaltbarkeit und damit die Lebensdauer negativ beeinflußt. Undichtigkeiten sind die Folge. Die MCFC eignet sich hauptsächlich für stationären Betrieb.
Phosphorsaure Brennstoffzelle PAFC
Die phosphorsaure Brennstoffzelle PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) ist eine Brennstoffzellenart die sehr weit entwickelt ist und auch bereits kommerziell vertrieben wird. Der Elektrolyt besteht aus hoch konzentrierter Phosphorsäure. Die PAFC wird bei Temperaturen zwischen 150°C bis 210°C betrieben. Bei diesen Temperaturen können auch ohne weiteres reformierte Brennstoffe verwendet werden, deren CO-Gehalt bis zu 1,5 % beträgt, ohne eine Katalysatorvergiftung wie bei der PEMFC zu riskieren. Da die PAFC auch CO 2 -verträglich ist, kann als Oxidationsmittel der Sauerstoff der Luft verwandt werden. Die Teilreaktionen lauten: An der Anode: H 2 → 2H + +2e – An der Kathode: 2H + +1⁄2 O 2 + 2e – → H 2 O Das Produktwasser entsteht also an der Kathode. Die nicht zu hohen Temperaturen der PAFC führen zu einer hohen Lebensdauer. Die PAFC erreicht beim Einsatz als Blockheizkraftwerk einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 80%, bei einem elektrischen Wirkungsgrad der aufgrund des hohen Elektrolytwiderstandes gerade mal 40% beträgt.
Protonenaustausch-Membran Brennstoffzelle PEMFC
Ihren Namen hat die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) durch die Verwendung einer protonenleitenden Membran als Elektrolyten bekommen. Weit verbreitet ist hier das von der Firma DuPont hergestellte Naflion (vgl. Kapitel 4.1.1.2), ein Polymer, das bei entsprechendem Wassergehalt protonenleitend ist. Die PEMFC wird bei Temperaturen von 60°C bis 130°C mit einem wasserstoffreichen Brenngas betrieben, das aufgrund der verwendeten Katalysatoren allerdings kein Kohlenmonoxid enthalten sollte, Leistungseinbußen um zu eine Katalysatorvergiftung verhindern. Als und Oxidationsmittel damit kann Luft Kathode. Als verwendet werden. Die einzelnen Teilreaktionen lauten: An der Anode: H 2 → 2H + +4e – An der Kathode: 2H + +1⁄2 O 2 + 2e – → H 2 O Das Produktwasser entsteht auch hier an der Niedertemperaturbrennstoffzelle ist sie bei einigen Automobilherstellern im Gespräch, und auch schon in einigen Prototypen im Einsatz (z.B. im Necar 4 von DaimlerCrysler, vgl. DaimlerCrysler,2000). Von Vorteil ist auch die relativ hohe Leistungsdichte. Ein Problem ist allerdings die Speicherung von Hybridspeicher zu Wasserstoff im schwer PKW sind. Bei , da der Drucktanks Erzeugung oder eines wasserstoffhaltigen Brenngases durch Reformierung von Benzin oder Methanol entsteht leider auch Kohlenmonoxid, das als Katalysatorgift an Platin adsorbiert und so die katalytisch aktiven Plätze des Platins blockiert. Mögliche Auswege bieten nur eine sehr aufwendige und somit teure Gasreinigung, die Suche/Weiterentwicklung von geeigneten Katalysatoren oder unter bestimmten Umständen die Pulsmethode.
DMFC Direktmethanol Brennstoffzelle
Wird die PEMFC mit unreformiertem Methanol als Brennstoff betrieben so bezeichnet man sie als DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Hierbei unterscheidet man zwei Varianten, die sich durch den Aggregatszustand des Brennstoffes, flüssig oder gasförmig, unterscheiden. Die Teilreaktionen lauten hier : An der Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6 H + +6 e – An der Kathode: 6 H + +11⁄2 O 2 + 6e – → 3 H 2 O Dies sind aber nur die Anfangs- und Endprodukte. Die Reaktion läuft deutlich komplizierter ab, da einige Zwischenprodukte entstehen. Unter Einbeziehung dieser sehen die anodischen Teilreaktionen folgendermaßen aus: (a) CH 3 OH + 3 Pt → Pt 3 COH + 3 H + +3 e – ( 3 Schritte) (b) 3 Pt + 3 H 2 O → 3 Pt-OH + 3 H + +3 e – (c) Pt 3 COH + Pt-OH → PtCO + H 2 O (d) PtCO + Pt-OH → PtCOOH (e) PtCOOH + Pt-OH → CO 2 + H 2 O „Ein spezielles Problem Anodenkatalysatoren der dar. DMFC Ursache stellt ist die die Inhibierung der Blockierung der Katalysatoroberfläche durch adsorbierte Zwischenprodukte, die an Platin erst mit beginnender Oxidbildung umgesetzt werden.“ (vgl. Ledjeff 1995,9.12). Zu dieser Problemgruppe kommt bei der DMFC noch, daß die gebräuchlichen Naflionmembranen für Methanol nicht vollständig dicht sind, und somit Methanol auf die Kathodenseite gelangen kann, was dort zur Bildung eines Mischpotentials führt. Lösungsansätze für diese Probleme sind die Verwendung anderer Katalysatoren.(Kapitel 2.11) So wird Platin beispielsweise Ruthenium beigemengt, ein Metall mit begünstigter Hydroxidbildung, was zu einer deutlichen Steigerung der katalytischen Aktivität führt. (Reaktionsgleichungen siehe Seite 23) Die Methanolpermeation etwa kann durch Weiterentwicklung der Membranen, durch Einfügen von Diffusionsbarrieren aus Palladium oder mikroporöser Polymerdeckschichten erreicht werden. Von Vorteil ist die vollständige Hydratisierung der Membran durch den ständigen Kontakt mit Wasser und die problemlose Unterbringung eines Tanks für flüssiges Methanol in einem PKW. Ru + H 2 O → Ru-OH + H + + e – Ru-CO + Ru-OH OH Adsorption on Ru → 2 Ru +CO 2 + H + + e – CO Oxidation Pt * -CO + Ru-OH → Pt* + Ru + CO 2 + H + + e – Pt-CO + Pt * → Pt + Pt * -CO Mobility of CO ad (Vgl. Stimming 1999,9.21)
Oxidkeramische Brennstoffzelle SOFC
Die Hochtemperaturbrennstoffzelle SOFC (Solit Oxid Fuel Cell), die Betriebstemperaturen keramischen von Elektrolyten 900°C des bis Typs 1000°C ZrO 2 /Y 2 O 3 aufweist, hat einen (Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid, YSZ). Bei dieser Art von Brennstoffzellen erfolgt der Stofftransport über Sauerstoffionen (O 2- ). Die Teilreaktionen lauten: An der Anode: O 2- + H 2 → 2 H 2 O + 2e – An der Kathode: 1⁄2 O 2 + 2e – → O 2- Als Brenngas dient entweder ein wasserstoffreiches Gas oder Erdgas, das intern reformiert wird; als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff. Die hohe Arbeitstemperatur Elektrolytwiderstand der SOFC, gering zu die halten, benötigt ist wird, für um den nachgeschaltete Dampfprozesse zwar ideal, führt aber zu Materialproblemen in der SOFC selbst. Dies ist auch der Grund, warum der Hauptaugenmerk der Forschung auf einer Absenkung der Betriebstemperatur liegt. _____________________________________________________________