Festoxidzelastzel



Die Festoxidbrennstoffzelle ( Englisch Festoxidbrennstoffzelle , SOFC ) ist Hochtemperatur- Eine Brennstoffzelle , die bei Einer von 650-1000 ° C Betriebstemperatur Betrieben Wird. Von Electrolyte of this Zelltyp Besteht Aus einem Festen Keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, zu Sauerstoffionen leiten, aber für Electron isolierend Wirkt. Viele Festoxidbrennstoffzellen-Projekte sind in der Entwicklung , einige sind schon am Markt. [1] [2]

Begriffe

Die Zusammenschaltung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen wurde als SOFC- Stack bezeichnet. SOFC Anlagen umfassen daruber Hinaus die Wärmetauscher , der Reformator , der Gleichstrom-Wechselstrom- Inverter , die Steuerung und sonstige Technik, die für den Betrieb nötig Ist.

Prinzip

Der feste Elektrolyt ist eine so dünne Membran , dass die Sauerstoffionen energie- armer Transporter zu können; sind dabei hohe Temperaturen beachtenswert. Auf den Seiten des Elektrolyts Sind gasdurchlässige elektrische Leiter als Kathode und Anode Angebracht. Diese dem Elektrolyte abgewandte, äußere Seite der Kathode war von der Luft umgegeben, die äußere Anodenseite von Brenngas. Ungenutzte Luft und ungenutztes Brenngas sowie weitere Verbrennungsprodukte wurden ausgesiegelt.

Die Funktion Jeden galvanische Zelle beruht Auf eine Redoxreaktion , bei der Reduktion und Oxidation Räumlich Getrennt ablaufen, nämlich an der Grenzfläche between Elektrode und Elektrolyt . In der SOFC ist die Redox-Reaktion eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder auch Kohlenmonoxid . Auf der Kathodenseite umgeschriebener Sauerstoffüberschuss, der auf den Sauerstoff reagiert, reagieren mit dem Wasserstoff. Durch diese Konzentrationsgefalle diffundiertder Sauerstoff von der zur Kathoden-Anoden. Von Electrolyte Dazwischen ist aber nur für Sauerstoff- Ionen durchlässig. Hat das Sauerstoffmolekül (O 2 ), die Grenzfläche between Kathoden – Elektrolyt – und erreicht, zerfällt unter der Aufnahme von Zwei ES Jeweils vier Elektronen in zweifach-negativ geladene Sauerstoffionen und kann so diese Barriere (Ion Leiter) Durch vorzudringen. An der Anode wurden Zwei Wasserstoffmoleküle (H 2 , Brenngas), der unter Abgabe von insgesamt vier Elektronen, die in vier einfach-positiv geladenen Wasserstoffionen umgewandelt. An der Grenze zur Anode Angekommen, reagieren die Sauerstoffionen Zwei katalytischmit den vier einfach-positiv beladenen Wasserstoffionen unter Abgabe von Wärme und den entsprechenden Verbrennungsprodukten. Voraussetzung für Ionisierung von Wasserstoff sterben und an der Sauerstoff-Elektrode jeweiligen Stromfluss ein iSt, der Zweck der Festoxidbrennstoffzelle, die anderweitig genutzt wurden Kann.

Bei einer Spannung von ca. 0,7V handelt es sich um ein Leistungsdicht von ca. 1W / cm² (luftdichte Diffusion von 1,4A / cm²). [3] Brenngase und dazugehörige Reaktionsgleichungen siehe Abschnitt #Reaktionsgleichungen .

Bauformen

Im Wesentlichen unterscheidet man aufgrund der Bauform: tubulare und (röhrenförmige, s Abb ..) planare (flache) SOFCs. Tubulare SOFCs Rüben technische Vorteile bei der Abdichtung der Elektroden-Gasräume. SOFCs planare eignen sich eher für Anwendungen, die volumetrische Leistungsdichten HÖHE erfordern. Aufgrund der tragenden Struktur Wird between weiterhin elektrolytgestützter und anodengestützter SOFC differenziert. Durch den Einsatz von 3D – Druckern , nähern sich aus Tinte Keramischen Partikeln und Lösungsmitteln Besteht, welche Ergibt sich zu möglichkeit Unterschiedliche Bauformen realisieren. [3]

Technische Herausforderungen

Durch Die hohe Einsatztemperatur ist es Möglich, unedlere, das heißt kostengünstigere Materialien zu zum beispiel bei der benutzen als PEMFC und hohen gleichzeitig Leistungsdichten und hohe Wirkungsgrad zu erzielen. Allerding ist die hohe Einsatztemperatur für alle technischen Herausforderungen.

Die Dichtungstechnik von Gasräumen Zueinander ist sehr aufwendig ( Hochtemperaturdichtung ). Konventionelle Flachdichtungen stocken schlichtweg. Stoffschlüssige Verbindungen können die Electoden kurzschließen. Hierher wurden spezielle Dichtungsmaterialien die zum Beispiel Glaslote derzeit für SOFC-Anwendungen verwöhnt.

Mechanische Spannungen im Betrieb Empfehlung : Ihren ursprung Haben vor Allem in Temperaturunterschieden in der Zelle und Durch Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten(TEC) der Materialien. Dazu kommt keine Neigung zu Kriech – oder Oxidationsprozessen bzw. Hochtemperaturkorrosion .

Entwicklung

Der wichtigste Teil des Marktes ist SOFC tat, die Firma Westinghouse Power Corporation (heute: Siemens Power Generation ) in den 1980er Jahren. Sie bauen einen funktionstüchtigen Prototypen mit einem Elektrolyt aus Yttrium-Stabilisator Zirkonoxid , kurz YSZ. Es wurde ein Painthren adaptiert, die elektrochemische Gasphasenabscheidung , mit der Material auf dem Material abgebremst werden kann, z. B. zur Herstellung der Anode. Durch diese röhrenförmige Anordnung der Zellen entlasten Sie sich auch der Nützlichkeit von Dichtungen. Der Wirkungskreis war jedoch der Gasphasenabscheidungsprozess, der für ihre Leistung noch recht groß war.

Mitte der 1990er Jahre FAND Tatsumi Ishihara ein neues Elektrolytmaterial, mit und Strontium Magnesium dotiertes Lanthangalliumoxid, kurz LSGM. [4] [5] Es trug im Wesentlichen dazu, SOFCs mit nidrigen Temperaturen zu entwickeln. Sie bekamen denen Bezeichnung IT SOFC ’s, englisch Zwischentemperatur SOFC ‚ s, oder Mitteltemperatur-SOFCs. Beispielsweise können diese mechanischen Verbindungen zwischen Zellen variieren. [6]

Materialien

Elektrolyt

SOFCs Qual der Elektrolyt aus eitern Oxidkeramik , typischerweise Yttrium Stabilisiertes Zirkonoxid, genauer Yttriumoxid-teilstabilisiertes oder Yttriumoxid – vollstabilisiertes Zirconiumdioxid . Alternative Strontium und Wird magnesiumdotiertes Lanthangalliumoxid (LSGM) oder selten Gadolinium dotiertes Ceroxid used.

Zur herstellung Eines dünner YSZ – Elektrolyt schicht aus Wird Eine Beschichtung mit feinem YSZ Elektrode Staub Auf einem aufgetragen und gesintert . Die Beschichtung kann durch elektrochemische Gasphasenabscheidungerhalten werden. Gegebenenfalls können auch mehrere Schichten mitgesintert werden, etwa von Elektrolyt und einer Elektrode. Keramik, z. B. Eine Elektrode, Kann Auch Durch Foliengießen und Brennen vorgefertigt waren Und dann mit ausreichenden Heißen andere SCHICHTEN im Ofen co-gesintert waren. [7]

Kathode

Die Kathode eines YSC-Elektrolyts ist aus dem keramischen Werkstoff Lanthan-Strontium-Manganit, (La, Sr) MnO 3 , kurz LSM . Es Kann addition mit noch Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) vermischt sein Kann, um den Ausdehnungskoeffizienten zu beeinflussen. [8] [9] Vor Allem für Niedertemperatur -SOFCs kommt Auch Lanthan-Strontium-Kobaltit (La, Sr) CoO 3 , LSC , Dasselbe Mīt Eisen, LSF , oder Kombination sterben LSCF infrage. Allerdings eine Trennschicht aus einer Cerverbindungzum YSC Elektrolyt notwendig, um schädliche chemische Prozesse entgegenwirken zu können. [10]

Die Kathode eines LSGM-Elektrolyten ist ein Standard aus Samaria-Strontium-Cobaltit (Sm, Sr) CoO 3 , kurz SSC.

Anode

Das Anode ist durchwegs aus Nickel – Cermet ( englisch Keramik-Metall ), ein Verbundwerkstoff aus der Nickel Metall und der Keramik YSZ, selten SC SZ oder Einems Ceroxid .

Reaktionsgleichungen

Brennstoffzellen können theoretisch reaktionsfreudige Redox-Reaktionen einsetzen wenn welche Ausgangstoffe flüssig oder gasförmig sind. [11] Praktisch konzentriert sich auf die Brennstoffe, die leicht verfügbar sind. Bei SOFCs sind das Wasserstoff und Synthesegas . Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig und kann leicht wiederhergestellt werden, in Verbindung mit Kohlenmonoxid, das im Synthesegas. Also könnte Erdgas , Rohöldestilette oder Sogar Hackschnitzel für SOFCs aufbereitet werden. Oxidationsmittel ist der Sauerstoff der Luft.

Reaktionsgleichungen 1 Reaktionsgleichungen 2
Anode {\ displaystyle \ mathrm {H_ {2} + O ^ {2 -} \ zu H_ {2} O + 2 \ e ^ {-}}}
Oxidations / Elektronenabgabe
{\ displaystyle \ mathrm {O ^ {2 -} + CO \ zu CO_ {2} + 2 \ e ^ {-}}}
Oxidations / Elektronenabgabe
Kathode {\ displaystyle \ mathrm {1/2 \ O_ {2} +2 \ e ^ {-} \ zu O ^ {2-}}}
Reduktion / Elektronenaufnahme
{\ displaystyle \ mathrm {1/2 \ O_ {2} +2 \ e ^ {-} \ zu O ^ {2-}}}
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamt-
reaktion
{\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} + O_ {2} \ bis 2 \ H_ {2} O}}
Redoxreaktion / Zell-Reaktion
{\ displaystyle \ mathrm {2 \ CO + O_ {2} \ bis 2 \ CO_ {2}}}
Redoxreaktion / Zell-Reaktion

Der innere Ladungstransport erfolgt mit O 2- 2- Ionen. Auf der Kathodenseite benötigt die SOFC Sauerstoff und produziert an der Anode Wasser und / oder CO 2 .

Die Festoxidrichlezelzelle direkt mit Methan führt zu Problemen mit der Pyrolyse von CH 4 und den daraus resultierenden Kohlenstoffablagerungen.

Anode {\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} +4 \ O ^ {2 -} \ bis 2 \ H_ {2} O + CO_ {2} + 8. ^ {-}}}
Oxidations / Elektronenabgabe
Kathode {\ displaystyle \ mathrm {2 \ O_ {2} +8 \ e ^ {-} \ bis 4 \ O ^ {2-}}}
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamt-
reaktion
{\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} +2 \ O_ {2} \ bis 2 \ H_ {2} O + CO_ {2}}}
Redoxreaktion / Zell-Reaktion

Wirkungsgrad

Im Unterschied zu Wärmekraftmaschinen mit nachgeschaltetem Generator , das z. B. Gaskraftwerken , dass die chemische Energie in Wärme, Kraft und in Strom umwandeln Dann, in Wird der Strom Brennstoffzellen (next to Wärme) Recht Erzeugt. Dies limitiert den Thermodynamik-Grenzen des Carnot-Prozesses .

Die Verbrennungsprodukte an der Anode heißen Stelle auf, die auch das Brenngas benötigt wird. Um das Brenngas leicht verfügbar zu machen, muss es durchgeblasen werden und ein Teil kommt wieder aus der Zelle. Diese Energie könnte wirklich gemurmelt werden.

Interessanterweise ist this anwendung insbesondere für die Power-to-Gas -Prozess, mit der Technik herkömmlicher nur Relativ niedrige Wirkungsgrad aufweisen. Mit reversiblen betriebenen Festoxidbrennstoffzellen Sind hung Gen Strom-zu-Strom-Wirkungsgrade bis 70% ETWA Möglich, Womit der mit Wirkungsgrad in ETWA mit Vergleichbar Pumpspeicherkraftwerken ist. [12]

Literatur

  • Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3-937863-04-4 .
  • Manuel Ettler: Einfluss von Reoxidationszyklen auf die Betriebsfestigkeit von anodgestützten Festoxid-Brennstoffzellen . Forschungszentrum Jülich, 2008, ISBN 978-3-89336-570-8 , S.120  ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

Weblinks

  • Brennstoffzellenhandbuch (7. Auflage) ab Seite 7-1, umfassende wissenschaftliche Übersicht, Firma EC & G Technical Services, Inc. (englisch, PDF, 5 MiB)
  • MeMO – Elektrochemischer Metall-Metalloxid-Hochtemperaturspeicher für zentrale und stationäre stationäre Anwendungen , Präsentationsgrafiken eines laufenden Projekts, Forschungszentrum Jülich, abgelaufen 2014
  • SOFC Status und Challenge Eine SOFC mit Bildern, Chris De Minco & Dr. Subhasish Mukerjee, Unternehmen Delphi Automotive Systems, 2001

Referenzen

  1. Hochspringen↑ Entwicklungsstand und Zukunftsperspektiven für private und gewerbliche Nutzung von SOFC – Systemen (englisch), Minoru Suzuki von der Firma Osaka Gas Co. GmbH – SOFC Hersteller sind zB welche Firma Osaka Gas Co. GmbH selbst, Japan, sie Eine Leistung 700 Watt SOFCdass Ceres Power Company, GB, ebenfalls 700 Watt, oder sterben Firma Bloom Energy USA, ein 100 kW Gerat.
  2. Hochspringen↑ Alberto Varone, Michele Ferrari, Power to Liquid und Power to Gas: Eine Option für die deutsche Energiewende . In: Erneuerbare und nachhaltigen Energie Bewertungen 45, (2015), 207-218, S. 209, doi : 10.1016 / j.rser.2015.01.049 .
  3. ↑ Hochspringen nach:a b 3D-gedruckte Festoxidbrennstoffzellen aus flüssigen Tinten mit hohem Partikelanteil , abgeraufen am 9. Dezember 2014.
  4. Hochspringen↑ Tatsumi Ishihara, Hideaki Matsuda, Yusaku Takita. Dotiertes LaGaO3-Perowskit-Oxid als neuer oxidischer Ionenleiter. J. Am. Chem. Soc. 116, 3801-3803. 1994
  5. Hochsingen↑ Synthesis und Charakterisierung keramischer Schichten (La, Sr) (Ga, Mg) O 3-x , Thorsten Maldener
  6. Hochspringen↑ Fuel Cell Handbook (Siebte Edition) ab Seite 7-1, Umfangreiche wissenschaftliche Übersicht Firma EG & G Technical Services, Inc. (englisch, PDF, 5 MiB), ISBN 978-0-387-77707-8 , 2009
  7. Hochspringen↑ Low Cost Herstellungsprozesse für Festoxid – Brennstoffzellen Abschnitt Kathodenband Produktion, Präsentation, MM Seabaugh .., Firma Nextech Materials Ltd., 2000. Elle Verfahren für YSZ SCHICHT auf LSM Substrat-.
  8. Hochspringen↑ Funktion der Hochtemperatur-Brennstoffzelle , kurze Einführung, Welt der Physik
  9. Hochspringen↑ Einführung in denen Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) , kurze Einführung, Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt
  10. Hochspringen↑ Perovskitoxids für Festoxid – Brennstoffzellen Kapitel 2: Übersicht über die Zwischentemperatur Solid Oxide Fuel Cells, Seite 28 Umfangreiche wissenschaftliche Übersicht von Tatsumi Ishihara (Verleger), Kapitel 2 von Harumi Yokokawa, Springer, 2009
  11. Hochspringen↑ AJ Appleby, FR Foulkes, Fuel Cell Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York, NY, 1989 zitiert in: Fuel Cell Handbook, EG & G
  12. Hochspringen↑ Jensen et al. Großvolumige Stromspeicherung mit reversiblen Festoxidzellen kombiniert mit einer unterirdischen Speicherung von CO2 und CH4 . In: Energie- und Umweltwissenschaften (2015), doi : 10.1039 / c5ee01485a .

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