Brennstoffzelle

In der Brennstoff zellen-Traube liegt der Kern des Prozesses der Energieumwandlung:
Sie besteht aus zwei Lagen konzentrischer Zylinder, die aus symmetrisch aufeinander
gestapelten, keramischen Brennstoff zellen bestehen.

Jede dieser Zellen verfügt über zwei Seiten, die durch eine keramische Membran getrennt sind: Auf der einen Seite strömt das Synthesegas aus dem Reformer ein und auf der
anderen Seite die erwärmte Frischluft aus dem Wärmetauscher. Dem keramischen Material wohnt die Eigenschaft inne, bei der vorherrschenden Prozesstemperatur leitfähig für Sauerstoff -Ionen zu werden. Es wird so ein Transfer von Sauerstoff -Ionen von der Frischluftseite durch die keramische Membran auf die Synthesegas-Seite der Brennstoff zelle ermöglicht. Durch die Abgabe der Ionen von der Frischluftseite an die Synthesegasseite entsteht eine elektrische Spannung, die durch das Einbringen eines verbindenden Leiters für einen Stromfluss genutzt wird. Da die Brennstoff zelle unvollkommen ist, gibt sie bei diesem Prozess Wärme ab. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle generiert einen Wärmeeintrag in den Gasturbinenprozess und kann in ihrer Funktion analog zu einer Brennkammer verstanden werden.

Festelektrolyt-Brennstoffzellen sind eine CO2-arme und effiziente Technologie zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Festelektrolyt-Brennstoffzelle besteht aus drei Elementen: einem gasdichten, isolierenden und sauerstoffionenleitenden Elektrolyten sowie zwei an gegenüberliegenden Seiten des Elektrolyten aufgebrachten Elektroden, einer Kathode und einer Anode. Wenn Luft in die poröse Kathode eingespeist wird, werden Sauerstoffionen abgeschieden, lagern sich an der Oberfläche des Elektrolyten an und Elektronen werden frei. Auf der anderen Seite des Elektrolyten, der Anodenseite, die mit Brenngas wie Wasserstoff und/oder Methan beströmt wird, ist die Sauerstoffionenkonzentration deutlich niedriger. Dadurch entsteht auf beiden Seiten ein unterschiedliches elektrisches Potential, das zu einer messbaren Spannung führt. Dieses Potential wird ausgeglichen, indem sich Sauerstoffionen durch das Gitter des Festelektrolyten von der Kathode zur Anode bewegen. In diesem Zustand können die freigewordenen Elektronen der Kathode zum Betrieb einer angehängten Last genutzt werden. An der Anode reagieren dann die Elektronen mit den Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten und dem im Brenngas enthaltenen Wasserstoff zu Wasserdampf. Dieser Prozess findet bei Temperaturen zwischen 700°C und 1000°C statt, bei denen die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Elektrolyten ausreichend hoch ist und Nichtedelmetalle als Katalysatoren zum Einsatz kommen können.

Um die gewonnene Leistung aus einer Brennstoffzelle zu erhöhen, werden die Zellen gestapelt. Dazu ist es notwendig eine elektrische, aber gasdichte Verbindung zwischen Elektroden der Zellen herzustellen. Dazu werden Interkonnektoren verwendet, die elektrisch leitend aber gasdicht und nicht ionenleitend sind. Diese werden zusätzlich mit Glasdichtungen versehen. Mit Hilfe dieser Komponenten lassen sich Brennstoffzellenstapel, auch Stacks genannt, aufbauen. In der Brennstoffzellen-Traube der T-Cell werden die Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Stacks Typ MK35x des Fraunhofer IKTS verwendet.

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