In PAFC wird konzentrierte Phosphorsäure in einer Siliziumcarbid (SiC)-Teflon-Matrix als Elektrolyt verwendet. Wegen dieses aggressiven Mediums, wurde bis vor wenigen Jahren nur verdünnte Säure verwendet. In jüngster Zeit entwickelte korrosionsbeständige Materialien machten es möglich konzentrierte Phosphorsäure einzusetzen, was die Elektrolytleitfähigkeit erhöhte. Die Elektroden basieren dabei auf den selben Materialien wie in PEM-Brennstoffzellen. Es werden kohlenstoffgeträgertes Platin Pt und auch ein höher beladener Katalysator auf der Anodenseite benötigt. Beim Einsatz von reformiertem Wasserstoff wird Ruthenium Ru zusätzlich zum Platin auf der Anode eingesetzt. Mit Ruthenium als Sekundärkatalysator kann Kohlenmonoxid CO im Brennstoff leichter oxidiert werden. Wenn Wasserstoff (oder reformierte Kohlenwasserstoffe) und Luft als Brennstoffe verwendet werden, sind die elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden identisch mit denen in einer PEM-Brennstoffzelle.

Anodische Oxidation des Wasserstoffs:

H₂ 2H⁺ + 2e^-

Kathodische Reduktion des Sauerstoffs:

½O₂ + 2H⁺ + 2e^- H₂O

Gesamt-PAFC-Reaktion:

H₂ + ½O₂ H₂O 

Die PAFC arbeitet bei etwa 200°C, womit die Phosphorsäure-Brennstoffzelle weniger sensibel für Verunreinigungen wie CO als die PEM-Brennstoffzelle ist. Aus diesem Grund kann sie nicht direkt mit fossilen Brennstoffen versorgt werden, was eine externe Reformierungseinheit notwendig macht. CO muss deshalb mittels einer Wassergas-Shift-Reaktion so verändert werden, dass der Gehalt kleiner 3 – 5 vol.-% ist, da sonst der Katalysator zugesetzt wird. Durch die höhere Betriebstemperatur ist auch die Abwärme höher als in anderen Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen. So wird eine kombinierte Wärme- und Energienutzung möglich. Durch die Vielzahl an grundlegenden Ähnlichkeiten zwischen Phosphorsäure-BZ und PEM-Brennstoffzellen können viele Komponenten gemeinsam verwendet werden. 

Fuji-Electric 100 KW.

UTC Fuel Cell Onsi PC25.

Toshiba-UTC PC25.

Dem Wasserhaushalt kommt eine viel größere Bedeutung zu als bei der PEM-Brennstoffzelle, da hier ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird. Bei diesen Betriebstemperaturen ist es sehr schwierig das Wasser in der Brennstoffzelle zu halten. Mit konzentrierter Säure wird das Problem wesentlich reduziert. Die geringe Kühltemperatur von Phosphorsäure von 40°C bis 50°C führt zu einem längern Startverhalten als bei der PEMFC. Phosphorsäure ist bei niedrigen Temperaturen ein geringerer Ionenleiter und die CO-Vergiftung auf dem Platinkatalysator an der Anode wird größer. Die Hauptvorteile sind einfache Bauweise, thermische, chemische und elektrochemische Stabilität und eine niedrige Flüchtigkeit des Elektrolyten (keine Probleme mit CO₂ im Brennstoff). Im Vergleich zu anderen Brennstoffzellensystemen ist die Leistungsdichte geringer und die PAFC-Systeme erreichen nur elektrische Wirkungsgrade von 37 – 42 % (Grundlage: LHV von Erdgas). Damit bewegen sich Phosphorsäure-Brennstoffzellen am unteren Ende der Wirkungsgrade für Brennstoffzelle-Kraftwerke.

Von allen Brennstoffzellensystemen ist die PAFC die am meisten kommerzialisierte Variante. Sie werden hauptsächlich in stationären Kraftwerken eingesetzt, sind aber auch in leistungsstarken Fahrzeugen, wie Stadtbussen, eingesetzt. Weltweit sind viele Systeme im Megawatt-Bereich zur Versorgung von Elektrizität, Wärme und heißem Wasser installiert. Am meisten bekannt ist das ONSI PC25 System von UTC Fuel Cells in Kooperation mit Toshiba und Ansaldo im Bereich Vertrieb und Entwicklung. Eines der bisher größten gebauten Brennstoffzellenkraftwerke ist ein 11 MW PAFC System in Japan.

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