Wie Brennstoffzellen funktionieren
Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen
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250-kW BRENNSTOFFZELLENEINHEIT an der Yale University im US-Bundesstaat Connecticut.
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Von John Milne
Nickel Magazine, Oktober, 2003 -- Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung,
in der Wasserstoff und Sauerstoff chemisch kombiniert werden, um Elektrizität zu erzeugen. Die einzigen
wesentlichen Nebenprodukte sind Wärme und Wasserdampf, was die Brennstoffzelle vom ökologischen Standpunkt
aus zum idealen Verfahren für die Elektrizitätserzeugung macht.
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen. In einigen Zellen kommt Wasserstoff zur Anwendung, der extern als Brennstoff erzeugt wurde. Andere verwenden einen Kohlenwasserstoffbrennstoff, der innerhalb der Einheit dissoziiert bzw. zu Wasserstoff umgewandelt wird. Nachstehend folgt eine Beschreibung einer solchen stationären Brennstoffzelle, die von der FuelCell Energy Inc. erzeugt wird.
Diese Brennstoffzellen bestehen aus einem Sandwich-Aufbau, in dem eine aus einem porösen Nickelstreifen bestehende Anode und eine aus einem Nickeloxidstreifen bestehende Kathode von einer Matrixschicht auf Keramikbasis getrennt werden. Ein in die Matrixschicht eingebrachter Karbonatelektrolyt erleichtert die elektrochemische Reaktion zwischen der Anode und der Kathode.
Der Nickelstreifen, der sowohl für die Anode als auch für die Kathode verwendet wird, wird unter Anwendung einer Pulvermetallurgietechnik hergestellt. Eine dünne Schicht Nickelpulver in Mikrometergröße wird gleichmäßig auf ein sich bewegendes Band aufgebracht, das dann einen Sinterofen und ein Walzensystem durchläuft, in dem der Pulverstreifen kompaktiert und verdichtet wird. Dieser Prozess wird als "tape casting" oder "Bandgießen" bezeichnet.
Nickel ist für diese Anwendung der ideale Werkstoff, weil Nickel ein guter Wärmeleiter und außerdem korrosionsbeständig ist. Das Nickel wird während des Verfahrens nicht verbraucht.
Ein Kohlenwasserstoff wie Erdgas gelangt in die Brennstoffzelle und wird mit Hilfe des Katalysators chemisch dissoziiert bzw. umgewandelt, so dass Wasserstoff zur Anode und Luft (Sauerstoff) zur Kathode gelangt. Die Reaktion spaltet den Brennstoff in Ionen und Elektronen. Die Elektronen bewegen sich mittels eines aus einem konventionellen Kupfersammelschienenleiter bestehenden externen Schaltkreises von der Anode weg, während die Ionen durch den Elektrolyt wandern und Kohlendioxid und Wassernebenprodukte erzeugen. Die dabei generierte Wärme (in einer Größenordnung von 370°C) kann gewonnen und verwendet werden.
Eine einzige Brennstoffzelle generiert nur eine geringe Menge Elektrizität und misst 1,2 m x 0,7 m bei einer Dicke von 0,63 cm. Wenn man 350 bis 400 Brennstoffzellen in ein Modul verpackt, erzeugt dieses Modul jedoch 250 kW Elektrizität. Eine Vielzahl von Modulen kann dann zu größeren Einheiten kombiniert werden, die 1 bis 2 Megawatt Energie erzeugen.
Die Effizienz der von dieser Art von Brennstoffzelle erzeugten Elektrizität beträgt etwa 50 % und kann, wenn die als Nebenprodukt entstehende Wärme ebenfalls genutzt wird, auf bis zu 80 % gesteigert werden. Während die Weiterentwicklung der Brennstoffzellen die Kosten immer weiter reduziert und die Effizienz immer weiter verbessert, bieten diese nun eine wettbewerbsfähige Alternative zu konventionell erzeugter Elektrizität, die sich zusätzlich dadurch auszeichnet, dass sie keine Umweltverschmutzung bewirkt und vor Ort ohne Lärmentwicklung eingesetzt werden kann.
Die Firma FuelCell Energy und ihre Partner haben derzeit in Japan, in Deutschland und in den USA vor Ort Versuche mit Brennstoffzellen laufen, wie z.B. die hier abgebildete 250 kW-Einheit im Environmental Sciences Building der Yale University.
John Milne ist ein technischer Berater für das Nickel Development Institute.
Foto/Diagramm: FuelCell Energy Inc.
 FuelCell Energy Inc. |
