Entwicklung von Submikron - Pulver-Suspensionen zur Herstellung ...

Vielversprechend für die Anwendung in der Haustechnik, als Blockheizkraftwerk und für
Kraftwerke bis 10 MW sind nach dem derzeitigen Stand der Entwicklung die
Hochtemperaturbrennstoffzellen mit keramischen Festoxidelektrolyt (Solid Oxide Fuel Cell
SOFC), die bei Betriebstemperaturen von über 800 °C Wirkungsgrade von über 70 % erzielen
können, wenn sie in Kombination mit einer Gas- oder Dampfturbinebetrieben werden . Für
konventionelle Kraftwerke gibt Minh 1993 Wirkungsgrade von 40 - 50 % an /MIN93/ .
Moderne Gas- und Dampf-(GuD)-Kraftwerke erreichen heute knapp 60 % .
Prinzipiell bestehen SOFC aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitenden Elektrolyten, der
zwei poröse, elektrisch leitende Elektroden (Anode, Kathode) voneinander trennt . Auf der
Anodenseite wird das Brenngas zugeführt, das oxidiert wird. Über die Kathodenseite wird
Luft zugeführt . Deren Sauerstoff wird reduziert und diffundiert als Sauerstoffion durch den
Elektrolyten . Die hohen Betriebstemperaturen sind erforderlich, da erst ab solchen
Temperaturen die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Elektolyt aus Yttrium-stabilisiertem Zr0 2
(8mo1%Yttriumstabilisiertes Zr0 2, 8YSZ) ausreichend hoch ist .
Es ergeben sich folgende Reaktionen :
(Kathoden- oder Luftseite)
(Anodenseite)
Die bei der Oxidation des Wasserstoffes frei werdenden Elektronen werden über
Interkonnektoren (bipolare Platten) in einen äußeren Stromkreis abgeleitet (Verbraucher) .
Nach der Nernst-Gleichung (Gl . 2-1) kann die offene Zellspannung Efl (Leerlaufspannung)
berechnet werden :
RT P02 ,K
- In
zF PO2,A
Grundlaggen
(Gl. 2-1)
mit R = allgem . Gaskonstante, T = Temperatur in Kelvin, z = Überführungszahl der Elektronen, F = Faraday
Konstante, PO2,1, = Sauerstoffpartialdruck auf der Kathodenseite und PO2,A = Sauerstoffpartialdruck auf der
Anodenseite
Reduktion :
Oxidation :
V2 02 + 2 e
H2
Gibt man die Temperatur mit 900 °C an, den Sauerstoffpartialdruck auf der Kathodenseite mit
0,2 bar (Luft) und auf der Anodenseite mit 10 -16 bar, so ergibt sich eine offene Zellspannung
von etwa 0,9 V . In der Praxis treten jedoch Ohm'scher Verluste und Polarisationseffekte auf.
Erst durch die Verbindung vieler Einzelzellen über die Interkonnektoren zu großen
Zellverbünden (Stacks) werden Spannungen und Leistungen in einer nutzbaren Größe
02-
2H+ + 2 e
Gesamtreaktion : V2 02 + H2 --> H2O