Das elektrische Betriebsverhalten eines PEM - Institut für Elektrische ...

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