Was ist eine Phosphorsäurebrennstoffzelle?
Phosphorsäurebrennstoffzelle sind Brennstoffzellen, die als Elektrolyt eine phosphorsaure Lösung verwenden. Sie erzeugen Strom mit Wasserstoff, der durch die Reformierung von Stadt- oder Flüssiggas gewonnen wird.
Wie die Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen wurden sie bereits in den 1970er Jahren entwickelt und früh kommerzialisiert, so dass sie anderen Brennstoffzellen in Bezug auf Leistung und Zuverlässigkeit überlegen sind.
Andererseits haben sie den Nachteil eines geringen Wirkungsgrads bei der Stromerzeugung pro Volumeneinheit und relativ hoher Kosten aufgrund der Verwendung von Platinkatalysatoren im Vergleich zu anderen Systemen. Darüber hinaus werden sie grundsätzlich bei hohen Temperaturen von etwa 200 °C betrieben. Beim Betrieb bei niedrigen Temperaturen muss unter anderem darauf geachtet werden, dass keine Vergiftung durch Kohlenmonoxid auftritt.
Anwendungen von Phosphorsäurebrennstoffzellen
Phosphorsäurebrennstoffzellen sind äußerst zuverlässige und langlebige Brennstoffzellen. Daher wurden sie bereits in Krankenhäusern, Hotels, Bürogebäuden und Kläranlagen installiert.
Sie werden vor allem als stationäre Stromquellen eingesetzt, um ihren Schwachpunkt, den geringen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung, auszugleichen. Neben der eigentlichen Brennstoffzelle umfasst das Brennstoffzellenpaket einen Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, einen Reformer, der den Brennstoff in Wasserstoff umwandelt, eine Kühleinheit und eine Steuereinheit.
In der Praxis sind Produkte mit einer Leistung von etwa 100 kW im Einsatz, die Strom durch die Zufuhr von Wasserstoff erzeugen, der aus Stadtgas oder Kohlenwasserstoffen, die als Nebenprodukt in Fabriken anfallen, reformiert wird.
Die Stromerzeugung erfolgt bei Temperaturen von ca. 200 °C, und viele Produkte verfügen über einen Mechanismus zur Kraft-Wärme-Kopplung, der die Abwärme als Wärmequelle für Warmwasserbecken und andere Anwendungen nutzt.
Für die Zukunft wird erwartet, dass die Verwendung von Wasserstoff, der als Nebenprodukt in verschiedenen Anlagen erzeugt wird sowie von Wasserstoff, der aus Stadt- und Flüssiggas reformiert wird, zur Stromerzeugung die Kosten noch weiter senken wird.
Da das System Strom durch die Reformierung von Gas zu Wasserstoff erzeugt, ist es außerdem möglich, die Gasart zu wechseln und die Stromerzeugung fortzusetzen, selbst wenn die Versorgung mit Stadt- oder Flüssiggas aufgrund einer Katastrophe unterbrochen wird.
Funktionsweise der Phosphorsäurebrennstoffzellen
Phosphorsäurebrennstoffzellen erzeugen elektromotorische Kraft, indem sie die chemische Energie, die bei der Oxidation von Wasserstoff zu Wasser entsteht, in Strom umwandeln.
Zusammensetzung der Batterie
Die Brennstoffelektrode besteht aus porösem Kohlenstoff, der von Phosphorsäure nicht so leicht angegriffen wird und durch den Gase leicht eindringen können. Der Elektrolyt ist eine wässrige Phosphorsäurelösung. Der Elektrolyt befindet sich zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode, wobei die beiden Zellen durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode sind mit einem Platinkatalysator beladen.
Erdgas-Reformierung
Bei der Verwendung von Stadtgas als Ausgangsmaterial wird den Brennelektroden über die Prozesse Entschwefelung, Dampfreformierung und Kohlenmonoxidoxidoxidation hochreiner Wasserstoff zugeführt.
Bei der Entschwefelung wird der Schwefelgehalt des Erdgases mit Hilfe eines Entschwefelungskatalysators (z. B. eines Katalysators auf Ni- oder Mo-Basis) in hochreaktiven Schwefelwasserstoff (H2S) umgewandelt, der dann von Zinkoxid (ZnO) adsorbiert und entfernt wird.
Der entschwefelte Dampf wird dann mit Wasserdampf in Gegenwart eines Katalysators zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt. Es werden Katalysatoren auf Nickel- und Rutheniumbasis verwendet. Diese Reaktion ist endotherm und erfordert daher die Zufuhr von Wärme. Im Allgemeinen wird die Wärme aus der Verbrennung von überschüssigem Wasserstoff genutzt.
Das dabei entstehende Kohlenmonoxid ist eine Substanz, die zu einer Vergiftung des Platinkatalysators führt (Adsorption an der Reaktionsstelle des Katalysators, wodurch die Effizienz der katalytischen Reaktion verringert wird), aber die zulässige Kohlenmonoxidkonzentration ist höher als bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, da diese bei etwa 200 °C arbeiten.
Stromerzeugung
Der der Brennstoffelektrode zugeführte Wasserstoff wird an einem Platinkatalysator zu Wasserstoffionen und Elektronen oxidiert, die dem Elektrolyten, einer wässrigen Phosphatlösung, zugeführt werden, während auf der Luftelektrodenseite der Sauerstoff in der Luft Elektronen aufnimmt und mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagiert.
Die Elektronen bewegen sich dann durch einen externen Stromkreis, der die Stromgewinnung ermöglicht.
Die von dieser Batterie erzeugte elektromotorische Kraft beträgt 1,23 V und ist damit geringer als beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batterien. Für die Verwendung als institutionelle Stromversorgung ist in der Regel eine Spannung von etwa 200 V erforderlich, weshalb mehrere Zellen übereinander angeordnet werden.