Das elektrische Betriebsverhalten eines PEM - Institut für Elektrische ...
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Der Stromwirkungsgrad<br />
ηI , i<br />
ist stoffspezifisch <strong>für</strong> jeden Reaktanden und darüber hinaus eine<br />
Funktion der Stromdichte. Im Bruchteil ( 1− η I ,i<br />
) sind die Verluste durch Rekombination 3 , d.h.<br />
Permeation 4 der Gase durch den Elektrolyten und durch Nebenreaktionen enthalten. Die<br />
thermodynamischen und elektrochemischen Grundlagen der Brennstoffzelle werden ausführlich<br />
in der Literatur [2], [3] und [4] behandelt.<br />
1.3 Brennstoffreformierung<br />
[5], [6]<br />
Brennstoffzellensysteme müssen in der Lage sein, in der Praxis übliche Brennstoffe („logistische<br />
Energieträger“) zu verarbeiten. Für stationäre Anlagen kommen aus diesem Grunde in<br />
erster Linie fossile Energieträger zum Einsatz. In den letzten Jahren sind Tendenzen erkennbar,<br />
welche Wasserstoff aus den verschiedensten Formen von erneuerbaren und sonstigen<br />
Energieträgern extrahieren bzw. konvertieren.<br />
An der TU-Graz wurde ein Systemkonzept zur effizienten Wasserstoffherstellung entwickelt,<br />
dem sogenannten Reformer Sponge Iron Cycle (RESC). <strong>Das</strong> neue Systemkonzept RESC<br />
zur Erzeugung von Wasserstoff basiert auf der Kombination <strong>eines</strong> Reformers <strong>für</strong> Kohlenwasserstoffe<br />
und des Eisenschwammprozesses und ermöglicht sowohl den Einsatz von Kohlenwasserstoffen<br />
als auch von Synthesegasen als Brennstoff. Dieses System wird als Zwischenschritt<br />
verstanden zwischen den heutigen fossilen Energieträgern und den zukünftigen<br />
Energieträgern, die auf erneuerbaren Energien aufbauen.<br />
Da in der Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt werden, muss der verwendete<br />
Brennstoff so aufbereitet werden, dass das der Anode zugeführte Gas einen möglichst<br />
hohen Anteil an Wasserstoff besitzt. Kathodenseitig wird in den meisten Fällen Luftsauerstoff<br />
eingesetzt, der über einen Staubfilter gereinigt wird.<br />
1.3.1 Erzeugung <strong>eines</strong> wasserstoffreichen Gases<br />
Für die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff und <strong>für</strong> den Einsatz von Erdgas als E-<br />
nergieträger <strong>für</strong> stationäre Brennstoffzellensysteme ist die Dampfreformierung am weitesten<br />
verbreitet. Durch Zufuhr von Wasserdampf entsteht über eine katalytische Reaktion wasserstoffreiches<br />
Synthesegas. Diese Reaktion ist endotherm, d.h. im Falle von Erdgas muss<br />
thermische Energie 5 zugeführt werden, um das Reaktionsgleichgewicht auf die Produktseite<br />
zu verschieben.<br />
CH + + ( ∆H = 206. 3 kJ/mol). (12)<br />
4<br />
H<br />
2O<br />
→ CO 3H<br />
2<br />
Vorteile sind bei der Dampfreformierung in den hohen Wirkungsgraden, vergleichsweise<br />
niedrigen Betriebstemperaturen und – aufgrund der endothermen Prozessführung – in der<br />
guten Steuerbarkeit des Prozesses zu sehen. Die Wirkungsgrade realisierter Anlagen liegen<br />
<strong>für</strong> Erdgas bei 70 bis 85 % (theoretisch maximal 94 %).<br />
Die Verfahren der partiellen Oxidation setzen Kohlenwasserstoffe unter Zumengung unterstoichiometrischen<br />
Sauerstoff-/Luftgemische bei Temperaturen von über 1300 °C und<br />
Drücken bis zu 90 bar um.<br />
3 Rekombination: (chem.) (Wieder) Vereinigung entgegengesetzt geladener Atome oder Molekülgruppen<br />
bzw. Anlagerung von Elektronen an positiven Ionen zu neutralen Gebilden.<br />
4 Durchlässigkeit <strong>für</strong> Flüssigkeiten.<br />
5 <strong>Das</strong> Temperaturniveau liegt bei 700 bis 800 °C.<br />
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