Fuel Cells - Electrochemical Power

Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen - MCFC

Schmelzcarbonat-Elektrolyte sind normalerweise Lithium- / Kaliumcarbonat (Li₂CO₃ / K₂CO₃) oder Lithium- / Natriumcarbonat (Li₂CO₃ / Na₂CO₃) in einem aluminiumkeramischen Grundgerüst (LiAlO₂). Unter den hohen Betriebsbedingungen bilden die Alkalicarbonate ein stark leitfähiges Salz in dem Carbonationen die Ionenleitfähigkeit erzeugen. Das Grundgerüst kann durch Al₂O₃-Fasern die mechanische Festigkeit erhöhen. Der Ersatz von Kalium durch Natrium stabilisiert den Elektrolyten und verlängert dessen Lebensdauer. Wenn Carbonationen (CO₃^2-) von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode transportiert werden, wird an der Kathode CO₂ im Beisein von Sauerstoff gebildet. Dies wird jedoch gewöhnlich vom Anodengas rückgewandelt.

Durch die sehr hohe Betriebstemperatur (600 – 700°C) wird die Kathodenkinetik im Vergleich zu PEMFC und PAFC stark verbessert, wodurch keine Edelmetalle als Katalysatoren mehr notwendig sind. Auf der Kathode wird gewöhnlich Nickeloxid verwendet, es werden aber auch lithiumoxidische Materialien eingesetzt. Für die Anode werden Nickel-Aluminium oder Nickel-Chrom eingesetzt. Nachfolgend sind die Elektroden- und die Gesamtreaktion aufgezeigt.

Anodische Oxidation des Wasserstoffs:

H₂ + (CO₃)^2- H₂O + CO₂ + 2e^-

Kathodische Reduktion des Sauerstoffs:

CO₂ + ½O₂ + 2e^- (CO₃)^2-

Gesamt-MCFC-Reaktion:

H₂ + ½O₂ H₂O

Wird ein reformierfähiger Katalysator zugesetzt, kann intern ein fossiler Brennstoff eingesetzt werden. Die entstehende (Ab-)Wärme kann bei genügend hohen Temperaturen zum Antreiben von Gasturbinen und / oder zur Produktion von Hochdruck-Dampf zum Einsatz in Dampfturbinen oder zur Kopplung von Wärme und Energie genutzt werden. Durch die Nutzung der Abwärme können so Wirkungsgrade bis zu 80 % erreicht werden, wobei die Brennstoffzelleneffizienz größer als 50 % ist.

MTU Friedrichshafen MCFC Stacks.

MTU Friedrichshafen Hot Modules.

Im Gegensatz zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen hat die Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle keine Probleme mit CO₂ und CO im Brennstoff. Jedoch stellt die geringe Schwefeltoleranz des reformierfähigen Katalysators ein Problem dar. Alle fossilen Brennstoffe beinhalten Schwefel, welcher bei den geringen Reformierungstemperaturen ein Katalysatorgift darstellt. Weitere Nachteile sind die Alterung der Materialien durch die hohen Temperaturen im Zusammenhang mit den stark korrosiven Elektrolyten. Wichtige Punkte in der Materialauswahl sind deshalb Alterung, Passivierung und thermische Ausdehnungseigenschaften. Spezielle Edelstähle basierend auf Nickel Ni, Cobalt Co, Eisen Fe oder Chrom/Aluminium Cr/Al haben sich bei diesen Betriebsbedingungen am besten bewährt.

DFC300 250 KW MCFC Fuel Cell Energy.

1 MW MCFC Fuel Cell Energy.

Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen werden als Alternative zu erdgas- oder kohlebasierenden Kraftwerken von einigen 100 Kilowatt bis hin zu mehreren Megawatt entwickelt. Firmen wie MTU Friedrichshafen, Fuel Cell Energy (ehemals Energy Research Corporation) und einige Japanische Firmen (Hitachi, IHI und Mitsubishi Electric) haben bereits Prototypen entwickelt.

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