Aufbau und Erprobung eines propanbetriebenen SOFC ... - GBV

2 Die SOFC-Brennstoffzelle
Temperatur
[°C]
p O2 ,An
[bar]
U Nernst,min
[V]
p H2 O/p H2
[-]
FU max (ideal)
[%]
750 2, 1 ∗ 10 −15 0,780 210 99,5
850 3, 5 ∗ 10 −13 0,656 265 99,6
950 2, 5 ∗ 10 −11 0,553 2230 99,9
Tabelle 2.2: Oxidationsbedingungen für Nickel zu Nickeloxid an einer SOFC-
Anode (Gleichgewichtsdaten: [Li (2011)])
In Abhängigkeit vom Wasserdampfanteil im Anodengas können sich bei den
Betriebstemperaturen der SOFC verschiedene gasförmige Nickelverbindungen
wie NiOH, Ni(OH) 2 , NiH und Ni(CO) 4 bilden. Liegt der Wasserdampfanteil
im Brenngas bei 950 °C über 12 Vol-%, so ist Ni(OH) 2 die thermodynamisch
dominierende gasförmige Nickelspezies. Allerdings sind die sich bildenden Anteile
dieser Nickelhydroxyle unter SOFC-Betriebsbedingungen mengenmäßig
vernachlässigbar [Stübner (2002)].
2.2.2.2 Keramik
Den Transport der Sauerstoffionen an den Reaktionsort der Anode übernimmt
die keramische Phase im porösen Verbundmaterial, in der metallischen Phase
werden die Elektronen abgeführt.
Die in Kapitel 2.2.1 beschriebenen Elektrolytmaterialien sind bereits nach
ihrer Sauerstoffionenleitfähigkeit ausgewählt. Neben der Ionenleitfähigkeit ist
in der Anode insbesondere die Bildung eines stabilen Verbundes mit dem Metallkatalysator
gefordert. Es besteht keine zwingende Notwendigkeit, das gleiche
Keramikmaterial wie beim Elektrolyten einzusetzen. YSZ kommt genauso
zum Einsatz wie andere Materialien. Die Keramik-Teilchen müssen untereinander
einen geschlossenen Leitungsverbund für Sauerstoffionen untereinander
und zum Elektrolyt bilden.
Das Keramikmaterial wird als inaktiv für die Anodenreaktion angesehen. Die
Anodenreaktion findet lokal in der Umgebung der Dreiphasen-Grenze TPB 10)
statt, wo der Zusammenfluss von Ionen, Elektronen und Reaktionsgasen erfolgt.
Die Zugabe von CeO kann die Anzahl katalytisch aktiver Zentren an der
Anode erhöhen, Cer ist sowohl ionen- als auch elektronenleitend.
2.2.2.3 Cermet
Der Verbund Ni-YSZ wurde 1970 von der Firma Westinghouse Electric Co.
eingeführt. Eine Mischung aus NiO mit YSZ wird bei 1.300 °C über mehrere
10 TPB: three phase boundaries, englisch für Dreiphasengrenze [O’Hayre u. a. (2005)]
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