SOFC

Die oxidkeramische Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist ein idealer, chemischer Reaktor, in dem die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff  ohne Verbrennung in elektrische Energie und Wärme umgewandelt wird. Deshalb spricht man von „kalter Verbrennung“. Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler.

Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC – Solid Oxide Fuel Cells) ist eine Hochtemperatur­brenn­stoff­zelle, mit einer Arbeitstemperatur von etwa (800-1000)˚C; Maximalspannung ca. (0,9-1,1) V, Brennstoffe H2, CO oder CH4. Im Unterschied zu konventionellen Kraftwerken setzt die Brennstoffzelle chemische Energie direkt in elektrische Energie und Wärme um, wie in Abb. 1 zu sehen ist.

Abb. 1: Umwandlung chemisch gebundener in elektrische Energie auf zwei Wegen – mit thermischen Maschinen und Generatoren und mit Brennstoffzellen [1].
Der Wasserstoff reagiert mit Sauerstoffionen (2O2-), als Ergebnis entsteht Wasser.
2H2 + 2O2-  -→  2H2O + 4e- 
In Abb. 2 ist zu sehen, aus welchen Elementen die Brennstoffzelle besteht und welche Prozesse ablaufen.
Schnitt durch die SOFC-Brennstoffzelle
Abb. 2: Schnitt durch die SOFC-Brennstoffzelle [2]
Chemische Prozesse in der SOFC-Brennstoffzelle
In der  Brennstoffzelle wird der Brennstoff, zusammen mit dem Oxidator in Energie und Verbrennungs­produkte umgewandelt. Tabelle 1 zeigt die chemische Reaktion für verschiedene Brennstoffe.

Brennstoffart H2 CO CH4
Anode H2+ O2- → H2O + 2e-
Oxidation/Elektronenabgabe		 CO + O2- → CO2+ 2e-
Oxidation/Elektronenabgabe		 CH4 + 4O2- → 2H2O+CO2+8e-
Oxidation/Elektronenabgabe
Kathode 1/2O2 + 2e-→ O2-
Reduktion/Elektronenaufnahme		 1/2O2 + 2e-→ O2-
Reduktion/Elektronenaufnahme		 2O2 + 8e-→ 4O2-
Reduktion/Elektronenaufnahme
Gesamt-reaktion 2H2 + O2→ 2H2O
Redoxreaktion/Zellreaktion		 2CO + O2→ 2CO2
Redoxreaktion/Zellreaktion		 CH4 + 2O2→ 2H2O + CO2 
Redoxreaktion/Zellreaktion

Tabelle 1: Die chemischen Reaktionen mit verschiedenen Brennstoffen.
Bei den chemischen Reaktionen muss die jeweilige Konzentration der Reaktanten genau geregelt werden, wobei die Leistung der Brennstoffzelle variabel ist: je mehr Brennstoff zugeführt wird, desto größer ist die elektrische Leistung. Die folgenden Berechnungen sollen darüber hinaus Anhaltspunkte für eine praktische Umsetzung geben. Deshalb wurden auch Gewichts- und Volumen-angaben berücksichtigt.

Die Masse der Wasserstoffmoleküle beträgt:
mH2 = 2∙1,67 x 10-24g = 3,34 x 10-24g
Die Masse eines Mols Wasserstoffmoleküle (H2) beträgt demnach:
MH2 = 3,34 x 10-24g ∙ 6,022 x 1023 ≈ 2 g/mol = 0,002 kg/mol
Die Masse des Sauerstoffatoms entspricht:
mO2  = 16∙1,67 x 10-24g = 2,67  x 10-23g
Die Masse eines Mols Sauerstoffatome  beträgt demnach:
MO2 = 2,67 x 10-23g ∙ 6,022 x 1023 ≈ 16 g/mol = 0,016 kg/mol

Weil ein Wassermolekül (H2O) aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht, wiegt ein Mol Wasser: 16 g +2 g  = 18 g = 0,018 kg
Die Teilchenzahl pro Mol Stoffmenge wird durch die Avogadro-Konstante NA angegeben:
NA= 6,02214179 x 1023 mol-1
Das molare Volumen eines Stoffes für ideale Gase bei Normalbedingungen (273,15 K; 101325 Pa) ergibt 22,414 Liter.
Ein Mol von Elektronen besteht, wie erwähnt, aus 6,022 x 1023 Elektronen; und nachdem die elektrische Ladung des Elektrons 1,602 x 10-19 Coulomb (C) beträgt, beläuft sich die Gasentladung eines Mols Elektronen auf: 6,022 x 1023∙1,602 x 10-19 C = 96485 C (Die elektrische Ladung von      1 Coulomb erzeugt für die Dauer von einer Sekunde (s) einen elektrischen Stromfluss von einem Ampere (A).
1C –> 1 As   1As∙1V = 1AVs = 1Ws = 1 Joule

Auch der Wirkungsgrad des SOFC-Brennstoffzelle ist im Vergleich zu konventionellen Energieerzeugungsarten signifikant höher

Wirkungsgrad verschiedener Arten der Energieerzeugun

Abb. 3: Wirkungsgrad verschiedener Arten der Energieerzeugung

Vor- und Nachteile der SOFC-Brennstoffzelle
Vorteile:

  • direkte Energieumwandlung
  • hohe Energiedichte und Wirkungsgrad ca. (45-65)%
  • es gibt keine bewegliche Teile im Energiekonverter
  • vibrations- und geräuschfreier Betrieb
  • Brennstoffflexibilität
  • Modular Aufbau von W bis MW
  • Gleichzeitige Erzeugung von elektrischer- und thermischer Energie
  • Keine oder sehr geringe Schadstoffemissionen
  • Relative geringe Wartungszeit
  • kann flexibel an Netzleistungsbedarf angepasst werden
  • dezentrale Energieeinspeisung

Nachteile:
Die Hochtemperatur hat folgende negative Effekte:

  • die thermische Materialexpansion schränkt die Materialauswahl ein und bedeutet großen Aufwand bei der Herstellung
  • Materialkorrosion
  • die Lebensdauerbeschränkung
  • hohe Marktkosten
  • relativ neue Technologie (mangelnde Erfahrung)

[1]   Klaus Langeheinecke, Peter Jany, Gerd Thieleke 2008. Thermodynamik für Ingenieure: Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium. Vieweg+Teubner Verlag Wiesbaden;
[2] Stratis Karamanolis 2003. Brennstoffzellen – Schlüsselelemente der Wasserstofftechnologie. Vogel Buchverlag.