Schornstein-Kaminofen

 

Brennstoffzellen

 

Als neue Technologie u. a. für die Nutzung in der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Brennstoffzelle angesehen. Über keine Technologie wurde in den letzten Jahren so viel (Gutes) berichtet wie über diese Technologie. Im Vergleich zur herkömmlichen (indirekten) Stromerzeugung mittels Verbrennung fossiler Brennstoffe, Umwandlung der dabei entstehenden thermischen Energie in mechanische Energie und Wandlung dieser mechanischen Energie mittels Generator in elektrische Energie, wird bei der Brennstoffzellen-Technologie der Strom auf direktem Weg (elektro-chemische Umwandlung) erzeugt.

Eine Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer sandwichartig angeordneten Dreierschicht Anode/Elektrolyt/Kathode, welche auf der Anodenseite durch die reduktive Gasatmosphäre (Brennstoff) und auf der Kathodenseite durch die oxidative Atmosphäre (Luftsauerstoff) umspült wird.

Prinzip einer Brennstoffzelle - Abbildung von Vaillant Remscheid

Der elektro-chemische Prozeß der Brennstoffzelle verläuft prinzipiell wie eine umgekehrte Elektrolyse. Der Brennstoff Wasserstoff wird kontinuierlich der Anode zugeführt. Dort wird er in Anwesenheit eines Katalysators in Elektronen und Ionen aufgespalten, wobei die Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert werden. Bedingt durch die Potentialdifferenz zwischen Brenngas (Anodenseite) und Sauerstoff (Kathodenseite) fließen die Elektronen über einen externen Stromkreis (elektrischer Verbraucher) zur Kathode und verrichten dabei elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich die Ionen und Elektronen mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff zu Wasser, welches als Wasserdampf abgeführt wird.

Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom kann in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Die Potentialdifferenz einer einzelnen Brennstoffzelle ist sehr gering (ca. 0,7 Volt), so daß für eine höhere nutzbare Spannung mehrere Brennstoff(mini)zellen zu einem Stapel (Stack) in Reihe geschalten werden müssen. Die Abwärme der Brennstoffzelle wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und kann zu Heizzwecken an einen Verbraucher abgegeben werden.

Das notwendige Brenngas Wasserstoff ist kein Primärenergieträger und muß eigens erzeugt werden. Dies wird durch Abspalten des Wasserstoffes aus wasserstoffhaltigen Brennstoffen wie z. B. Methan und Methanol realisiert. Hierfür wird ein sogenannter Reformer benötigt, welcher der (Niedertemperatur-)Brennstoffzelle vorgeschaltet wird. Der Reformierungsprozeß benötigt rund 20% der eingesetzten Energie. Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist - aufgrund der hohen Temperaturen - eine Direktreformierung möglich.

Brennstoffzellen werden in Abhängigkeit ihrer Betriebstemperaturen und des verwendeten Elektrolyten klassifiziert. Grundsätzlich unterscheidet man hinsichtlich der Betriebstemperaturen zwischen Nieder- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Zu den für den BHKW-Anwendungsbereich interessanten Niedertemperaturzellen gehören die PEMFC- und die PAFC-Brennstoffzelle. Für BHKW-Anlagen geeignete Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind die MCFC- und die SOFC-Zellen.


 

 

 

Typ

Betriebstemperatur

Elektrolyt

Oxidant

elektrischer Wirkungsgrad

PEMFC

Polymer Electrolyte Membrane Fuell Cell

80°C

Festpolymer

O2 / Luft

60 %, bezogen auf Hu (CH4)

PAFC

Phosphoric Acid

Fuell Cell

200°C

Phosphorsäure

Luft

36-46 %

MCFC

Molten Carbonate

Fuell Cell

650°C

Lithium- und Kaliumkarbonat

Luft

48-56 %

SOFC

Solid Oxid Fuell Cell

1000°C

Zirkonoxid,

Yttrium dotiert

Luft

55-65 %

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