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Dipl.-Ing. Meinolf Trondt 
 
Consulting&Engineering

Brennstoffzellen (Fuel Cells)

Was  ist eine Brennstoffzelle?

Brennstoffzellen sind galvanische Elemente, in denen die chemisch gebundene Energie eines Brenngases (z.B. Wasserstoff) auf elektrochemischem Wege direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine Brennstoffzelle besteht aus 2 Elektroden (Anode und Kathode), zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. Aufgrund der elektrochemischen Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsmittel fließt zwischen den Elektroden ein Gleichstrom . Mehrere Brennstoffzellen werden in „Stacks“ hintereinandergeschaltet, um höhere Spannungen bzw.Leistungen zu erzielen.

Typen von Brennstoffzellen      

Die wichtigsten Brennstoffzellen-Typen sind

BZ-Typ	Kurz- Bezeichnung	Elektrolyt	Betriebs- Temperatur
Alkalische BZ  (Alkaline Fuel Cell)	AFC	KOH	60 bis 80°C
Phosphorsäure BZ   (Phosphoric Acid Fuel Cell)	PAFC	Phosphor-Säure	150 bis 200°C
Protonen-Exchange Membrane    (PEM)	PEMFC	Polymer-Membrane	80°C
Schmelzkarbonat – BZ (Molten Carbonate Fuel Cell)	MCFC	Flüssige Lösungen von Li-/Na-/KCO3	650°C
Festoxid-BZ (Solid Oxide Fuel Cell)	SOFC	Yttrium-dotiertes Zirkonoxid	900 bis 1000°C
Direkt Methanol BZ (Direct Methanol Fuel Cell)	DMFC	Polymer-Membrane	50 bis 100°C

Theoretische Grundlagen

Die elektrische Arbeit, die von einer reversibel, d.h. ideal arbeitenden BZ abgegeben wird , ist gleich der reversiblen Reaktionsarbeit der in der Zelle ablaufenden Overall –Oxidationsreaktionen.

W elektr.reversibel = ∆ G (T,p) = ∆ H (T,p) – T* ∆S (T,p)       

∆ G(T,p) = freie Reaktionsenthalpie  

H(T,p) = Reaktionsenthalpie             

∆S(T,p) = Reaktionsentropie

Der reversible Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist

η reversibel  = ∆ G (T,p) / ∆ H (T,p)

Die reversible Klemmenspannung der Brennstoffzelle ist

U elektr.reversibel =   --  ∆ G ( T, p) /    Z * F

F   =  e * N A = 96.487       A *  s/mol  (Faraday-Konstante)                           

Z = Wertigkeit der Reaktion

Reversible Wirkungsgrade und reversible Klemmenspannungen ( jeder Reaktionspartner p=100kPA)

Reaktion (Over-All)	∆ H  J/mol	∆G    J/mol	η rev. %	U rev.   V	T K	BZ-Typ
H2 +1/2 O2=H2O(g)	- 243.463	- 220.428	90,5	1,14	473	PAFC
	- 247.555	- 194.607	78,6	1,0	973	MCFC
	- 249.239	- 178.695	71,7	0,926	1273	SOFC
CO + 1/2 O2 = CO2	- 282.780	- 198.998	70,4	1,03	973	MCFC
	- 281.520	- 174.225	61,9	0,902	1273	SOFC
CH4+ 2 O2 = CO2 +H2O(g)	- 802.147	- 795.822	99,2	1,03	1273	SOFC

Der (tatsächliche) elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle

η BZ = η reversibel * η i * η U

ergibt sich durch Multiplikation des reversiblen Wirkungsgrades  η reversibel mit

• dem  Umsatzwirkungsgrad η i , der angibt, welcher Teil des Brenngases in der Zelle umgesetzt wird  (typische Werte 80%)
• dem Spannungswirkungsgrad η U , der die Zunahme von Irreversibilitäten bei steigender Stromdichte wiedergibt (typische Werte 50 bis 70%) 

Einsatz von Brennstoffzellen im Kraftwerksbereich

Für den zukünftigen Einsatz in Kraftwerken bieten sich die Hochtemperatur- Brennstoffzellen (MCFC/SOFC) an, da bei diesen Brennstoffzellen-Typen

• durch Abhitzenutzung (Dampferzeugung /Dampfturbine) der Wirkungsgrad der Stromerzeugung für das Gesamt-Systems gesteigert werden kann
• neben H2 auch CO und CH4 in der Brennstoffzelle direkt umgesetzt werden.

Gaskomponenten , die zu Schäden an Elektroden und Elektrolyt führen können, müssen jedoch vorab  sicher abgetrennt werden. Ob es zur Russbildung kommen kann, muss überprüft und - falls erforderlich -  durch zusätzliche Wasserdampfzugabe ausgeschlossen werden.

Massen- und Energiebilanz für eine MCFC

Für die im Bild dargestellte Anlagenkonfiguration wurden folgende Randbedingungen zugrundegelegt

• das Brenngas für die MCFC wird extern durch Reformierung von Erdgas (ohne nachgeschaltete Konvertierung und Wasserstoffkonzentrierung) erzeugt
• an der Anode erfolgen Reformierung und Konvertierung des Brenngases
• der Umsatz des Brenngases an der Anode wird charakterisiert durch den O2- Verbrauch an der Anode und entspricht 80% des für 100%igen  Umsatz des Brenngases benötigten theoretischen O2-Bedarfes 
• angenommener Spannungswirkungsgrad = 80%
• das Anodenabgases wird verbrannt
• das Abgas aus der Verbrennung dient als CO2-Quelle und wird der Kathode zugeführt

Durch Rechnung ergibt sich  die folgende Massen- und Energiebilanz

Weitere Ergebnisse der Rechnung sind

• Elektrische Leistung der Brennstoffzelle (Gleichstrom)   10478 kW (= 52,84% bezogen auf Hu Brenngas)
• Spannung (real)                                                          0,7805 V

Unter Berücksichtigung von Inverter-Wirkungsgrad( 97%) und Leistungsbedarf der Verdichter für Luft und Kathodenkreislauf ergibt sich ein

• elektrischer Wirkungsgrad  des dargestellten Systems von 47,5% (bezogen auf Hu Brenngas).

Für die Beurteilung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems müssen zusätzlich der Reformer und die Stromerzeugung, die sich aus der Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle (Dampferzeugung/Dampfturbine) ergibt, berücksichtigt werden.