Brennstoffzellennutzung in der Biogastechnik / Nachhaltigkeit (PDF)

Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformer ab, der extra mit Brenngas beheizt werden muss.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die entstehende Abwärme, welche noch etwa zwischen 400 °C und 450 °C liegt, in unterschiedlichster Form genutzt werden kann. Beispielsweise lässt sie sich nicht nur in industriellen Verfahren aller Art (z.B. Prozessdampf) nutzbringend verwenden, man kann sie auch in nachgeschalteten Turbinenaggregaten zur weiteren Stromerzeugung einsetzten. Dadurch kann ein elektrischer Wirkungsgrad von mehr als 65 % und ein Gesamtwirkungsgrad (thermisch und elektrisch) von 85 % erreicht werden. Die Möglichkeit der nachgeschalteten Turbinenaggregate kommt insbesondere für größere Anlagen (oberhalb von 10 MW) in Betracht. Darüber hinaus können aber auch noch Wärmeverbraucher mit hohen Temperaturanforderungen von der hohen Nutzwärmetemperatur Gebrauch machen. Geeignete Anwendungen wären z.B. Absorbtionskälteanlagen sowie Anlagen zur Druckheiß-wassererzeugung, Trocknung und Sterilisation. Hinsichtlich der Materialien ist die Arbeitstemperatur der MCFC aber noch niedrig genug, sodass gängige metallische Werkstoffe für die Konstruktion der Brennstoffzelle sowie deren Peripherie verwendet werden können. Dies ist des Weiteren vorteilig zu bewerten, da die Brennstoffzelle aufgrund dessen kostengünstiger gefertigt werden kann.

Kapitel 3.2.2, Aufbau der Direktbrennstoffzelle

Im Prinzip gleicht der Aufbau eines DBZ-Zellblocks dem anderer Brennstoffzellentypen. Die einzelne Zelle ist wie ein flaches Sandwich aufgebaut. Die beiden Elektroden bestehen aus porösem Nickel und umschließen eine mit dem Karbonat-Elektrolyten gefüllte Trägerfolie (Matrix). Die Gaskanäle werden durch wellblechartig strukturierte Stromsammler gebildet. Mittels einer Bipolarplatte werden die aufeinander folgenden Zellen separiert. Die Fläche der Zellen beträgt in etwa 0,8 m². Etwa 300 Zellen, wobei die einzelne eine elektrische Leistung von ca. 1 kW hat, werden übereinander gestapelt und dadurch elektrisch in Serie geschaltet. Die Zellen werden durch die Endplatten zusammengehalten, wobei diese wiederum mit Zugankern verbunden sind. Durch eine entsprechende Vorspannung bewirken diese einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Einzelzellen. An den vier Seiten des Zellblocks sind die Gashauben (Gasverteiler und -sammler) angebracht. Das Brenngas und die Kathodenluft fließen im Kreuzstrom durch den Zellblock. Die beschriebene und in Abb. 3.4 dargestellte Art der Gaszuführungen und -abführungen wird als „externes Manifolding“ bezeichnet. Schließlich wird an den Endplatten des Zellblocks der Gleichstrom abgenommen, über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und den Verbrauchern zugeleitet. Aus dem Kathodenstrom der MCFC wird die Überschusswärme entnommen und kann aus dem Prozess nach Nutzung zur Brenngasvorwärmung und -befeuchtung mittels eines Wärmetauschers als Nutzwärme auf einem Temperaturniveau von 550 °C bis zu 600°C ausgekoppelt werden.Kapitel 3.2.3, Funktionsweise der MCFC

Das Arbeitsprinzip der MCFC beruht wie bei allen anderen Brennstoffzellentypen auch, auf der indirekten Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser durch einen ionenleitenden Elektrolyten. Ferner kommt bei der Karbonat-Brennstoffzelle hinzu, dass neben den oben genannten Reaktanden auch Kohlendioxid an der Reaktion teilnimmt bzw. diese erst ermöglicht.

Bevor überhaupt an der Anode eine Reaktion stattfinden kann, muss zunächst der Wasserstoff, welcher bei der Reaktion als Brennstoff fungiert, aus dem Kohlenwasserstoffmolekül heraus gespalten (reformiert) werden.

Wie bereits oben angeführt kann diese Reformierung unter hohen Temperaturen und unter Anwesenheit eines Katalysators im Inneren der Brennstoffzelle erfolgen. Hierbei reagieren die Kohlenwasserstoffe in einer endothermen Reaktion, welche auch als „Steam Reforming“ bezeichnet wird, mit Wasserdampf und bilden Kohlendioxid und Wasserstoff:

Gleichung 3.2 Reformierreaktion CH4 + 2H2 O + therm.Energie ¾¾®CO2 + 4H2

Auf der Anodenseite, am negativen Pol der MCFC reduziert der Wasserstoff das Karbonat-Ion CO3 zu CO2 unter Bildung von Wasser und setzt dabei zwei Elektronen frei:

Gleichung 3.3 Anodenreaktion

H2 + CO3- ¾¾®H2 O + CO2 + 2e-.Das an der Anode entstandene Kohlendioxid wandert daraufhin zur Kathode und reagiert dort mit dem Luftsauerstoff. Dadurch werden auf der Kathodenseite unter Bildung von zwei Elektronen kontinuierlich neue CO3-Ionen produziert:

Gleichung 3.4 Kathodenreaktion:

0,5 O2 + CO2 + 2e- ¾¾®CO3-.

Die negativ geladenen Karbonat-Ionen wandern anschließend durch den Elektrolyten zur Anode, also genau umgekehrt wie bei anderen Brennstoffzellen. Bei der Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) streben die Ionen beispielsweise von der Anode zur Kathode. Anschließend reagieren an der Anode der MCFC die Karbonat-Ionen mit jeweils zwei Wasserstoff-Ionen zu Kohlensäure (H2CO3), wobei diese wieder in Wasser und Kohlendioxid zerfällt. Damit der Karbonat-Kreislauf erhalten bleibt, muss das entstandene Kohlendioxid dem Luftstrom zur Kathode beigemischt werden. Wegen des Verbrauchs von freien Elektronen besteht an der Kathode Elektronenmangel, sodass die Elektronen von der Anode zur Kathode fließen und den Kreislauf schließen...