Schmelzkarbonatbrennstoffzelle
Die Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (engl. Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die bei einer Betriebstemperatur zwischen 580 °C und 675 °C arbeitet. Als Elektrolyt verwendet dieser Zellentyp eine Alkalicarbonat-Mischschmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat.
Prinzip
Als Brenngas wird auf der Seite der Anode ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid benutzt, das per interner Reformierung aus einem methanhaltigen Energieträger wie fossilem Erdgas oder Biogas hergestellt wird. Als Reaktionsprodukte entstehen auf der Anoden-Seite Wasser und Kohlendioxid. Kathodenseitig wird Sauerstoff und Kohlendioxid zugesetzt, letzteres wird aus dem Anodenabgas zurückgeführt. Der Sauerstoff verbindet sich unter Elektronenaufnahme mit dem CO2 zu einem Carbonation, welches durch den Elektrolyten wandert.
Die Materialien zum Bau dieses Zellentyps sind vergleichsweise günstig, da sie in einem Temperaturbereich arbeitet, bei dem eine akzeptable Reaktionsgeschwindigkeit ohne teure Edelmetallkatalysatoren erreicht wird und preiswertere Nickelelektroden verwendet werden können. Andererseits ist die Betriebstemperatur noch nicht so hoch, so dass auf aufwendige Hochtemperaturwerkstoffe verzichtet werden kann. Schwierig ist der Typ vor allem wegen des Verschleißes durch das ständige Aufwärmen auf hohe Temperaturen und Abkühlen des Systems. Auch die Giftigkeit und Entzündlichkeit des wasserstoffreichen und CO-haltigen Reformats aus der internen Reformierung stellt hohe, aber beherrschbare Anforderungen an die Sicherheit.
Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle kann einen elektrischen Systemwirkungsgrad von etwa 45 % bis 50 % erreichen. Bei Verwendung als Blockheizkraftwerk mit gleichzeitiger Nahwärmenutzung kann ein Gesamtwirkungsgrad bis 90 % erzielt werden. Die MCFC soll sich in Zukunft in lokalen und auch größeren Kraftwerken einsetzen lassen.
Reaktionsgleichungen
| Gleichung | |
|---|---|
| Reformierung | $ \mathrm {CH_{4}+H_{2}O\longrightarrow CO+3H_{2}} $ $ \mathrm {CO+H_{2}O\longrightarrow CO_{2}+H_{2}} $ |
| Anode | $ \mathrm {H_{2}+{CO_{3}}^{2-}\longrightarrow H_{2}O+CO_{2}+2\ e^{-}} $ Oxidation / Elektronenabgabe |
| Kathode | $ \mathrm {{\frac {1}{2}}O_{2}+CO_{2}+2\ e^{-}\longrightarrow {CO_{3}}^{2-}} $ Reduktion / Elektronenaufnahme |
| Gesamtreaktion | $ \mathrm {2\ H_{2}+O_{2}+CO_{2}(K)\longrightarrow 2\ H_{2}O+CO_{2}(A)} $ Redoxreaktion / Zellreaktion |