Brennstoffzellen: Funktionsprinzip; Aufbau; Herstellung; Anlagen.
Produktionsanlagen für Brennstoffzellen
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Zur Herstellung einer PEMFC Brennstoffzelle müssen folgende Teile produziert und zusammengefügt werden:
Das Kernstück der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstacks bildet die Membran-Elektroden-Anordnungen (Membrane Electrode Assembly MEA)
Diese kann mit dem so genannten Decal-Prozess hergestellt werden. Hierbei werden die verschiedenen Schichten im Rahmen eines Tintenprozesses mit einer Heißpresse auf eine Klebefolie (Decal-Folie) aufgebracht.
Decal ist die Abkürzung für "decalcomania", zu Deutsch Abziehbild.
In einem mehrstufigen Prozess werden so zwei Sub-Dichtungen, zweimal das Elektrodenmaterial (Kohlenstoffnetz) mit eine Katalysatorschicht (Platin), und die Polymermembran (Nafion®) verbunden.
Bei diesem Prozess sind normalerweise mindestens 3 Schritte nötig um die Materialien zu verpressen. Der Prozess kann kontinuierlich und bei Atmospherendruck durchgeführt werden. Durch die Verwendung von
mechanischen Rollen kann es aber zu leichten Ungleichmäßigkeiten der einzelnen Schichten kommen.
Unser Partner Shindo Eng. Lab. hat diesen Prozess weiterentwickelt. Im Rahmen dieses Vorgangs ist jetzt nur noch 1 Prozessschritt nötig. Zur Fabrikation wird eine Laminiermaschine eingesetzt, die die einzelnen Folien unter Unterdruck verpresst,
die beim Verpressen des Katalysators freiwerdendes Gas absaugt und so zu einer besonders hohen Gleichmäßigkeit der Schichten führt. Mit dieser Anlage können je nach Bedarf 3-lagige Schichten (Elektroden + Membran; MEA),
5 lagige Schichten (MEA + Sub-Dichtung), sowie 7-lagige Schichten (MEA + Sub-Dichtung + Gasdiffusionsschicht) produziert werden. Folgende Grafiken zeigt dabei den Aufbau des 7-Schichten Systems, sowie eine Prozessanlage
unseres Partners Shindo Eng. Lab.
| Spezifikation | |
|---|---|
| Art der Folienzugabe | kontinuierlich Rolle zu Rolle |
| Schneiden | Rollmesser (Sub-Dichtungsschicht, MEA, GDL) |
| Ausrichtung | Kamera unterstützte Ausrichtung (Pre Align, 2ndAlign , Punching Align) |
Crystec Technology Trading GmbH vertitt die Firma Shindo, sowie weitere Firmen aus Südostasien (Korea, Japan, Taiwan, China) in Europa und ist Ihnen bei der Beschaffung einer entsprechenden Anlage gerne behilflich.
Auf dieser Seite geben wir Ihnen einen Überblick über die Funktionsweise der verschiedenen Brennstoffzellen, sowie die Herstellung der PEMFC Zellen. Bei Brennstoffzellen handelt es sich um galvanische Elemente, die chemische Energie durch einen reversiblen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie umwandelt. Dabei reagiert ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff mit einem Oxidationsmittel. Da der Energieträger nicht in der Zelle gespeichert ist, sind Kapazität und Leistung unabhängig voneinander skalierbar. Die stattfindenden Redoxreaktionen laufen räumlich getrennt an der Anode und der Kathode ab und können so in elektrische satt Wärmeenergie gewandelt werden. Die am häufigsten Verwendeten Komponenten sind Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), deren zugrunde liegenden Reaktionen im Folgenden gezeigt werden. Diese Redoxreaktionen können dabei sowohl sauer als auch basisch katalysiert ablaufen.
Saurer Elektrolyt |
Basischer Elektrolyt | ||||
| Anode: 2 H2+ 4 H2O → 4 H3O+ + 4 e- Kathode: O2+ 4 H3O+ + 4 e- → 6 H2O |
Anode: 2 H2 + 4 OH- → 4 H2O + 4 e- Kathode: O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH- |
||||
| Gesamt: 2 H2+ O2 → 2 H2O | Gesamt: 2 H2+ O2 → 2 H2O |
Sowohl bei der sauer als auch bei der alkalisch katalysierten Reaktion wird Wasserstoff-Gas (H2) an der Anode unter Freisetzung von Elektronen umgesetzt.
Im sauren Milieu entstehen hierbei protoniertes Wasser (H3O+), während im Basischen Hydroxidionen (OH-) zu Wasser (H2O) umgesetzt werden.
An der Kathode dagegen wird Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) (sauer katalysiert) bzw. zu Hydroxidionen (OH-) (alkalisch katalysiert) umgesetzt.
Für die gesamte Redoxreaktion ergibt sich somit für beide katalytischen Systeme die Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser.
Auch wenn Sauerstoff und Wasserstoff
die am häufigsten verwendete Kombination in einer Brennstoffzelle ist kommen auch andere Wasserstoffträger wie Methanol (CH3OH), Butan (C4H10) oder Erdgas (>75% Methan) als Brennstoffe in Frage.
Häufig wird Wasserstoff auch chemisch in Form von Ammoniak (NH3) gespeichert. Dieser kann dann vor Ort in einem Wasserstoffgenerator thermisch aufgespalten werden. Der H2-Generator wird auch Ammoniakspalter
bzw. Ammoniakcracker genannt, da in ihm Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten werden, wie in der folgenden Gleichung veranschaulicht:
2 NH3 → H2+ 3 N2
Je nach Brennstoffzellentyp muss der Stickstoff gegebenenfalls in einem gesondertem Prozess abgetrennt werden.
Die Brennstoffzelle besteht in der Regel aus zwei mit einem Katalysator beschichtete Elektroden und einem Elektrolyten (Ionenleiter). Als Elektroden kommen hauptsächlich Metall- oder Kohlenstoff-basierte Systeme mit großer Oberfläche zum Einsatz (z.B. Kohlenstofffilz (CF)). Als Katalysator wird z.B. Ruthenium oder Platin verwendet. Der Elektrolyt dient der räumlichen Trennung der Edukte und ermöglicht gleichzeitig den Ladungstransport zwischen den Elektroden. Es sind sowohl flüssige als auch feste Elektrolyte möglich.
Die Umsetzung der räumlich getrennten Oxidation eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs ist auf diverse Arten realisierbar.
Zu Unterschieden der Brennstoffzellentypen kommt es vor allem bei ihrer Betriebstemperatur, den verwendeten Elektrolyten sowie
den zugeführten Brennstoffen und damit verbundenen Redoxreaktionen. Niedertemperatur-Brennstoffzellen (LT-FC) arbeiten bei Temperaturen bis zu 200 °C, während Hochtemperatur-
Brennstoffzellen (HT-FC) ab etwa 700 °C starten. Durch die Temperatur bedingt, sind bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen meist Katalysatoren basierend auf teuren Metallen
aus der Platingruppe nötig und auch Verunreinigungen der Edukt-Gase durch beispielsweise Kohlenstoffmonooxid können den Prozess stark beeinträchtigen.
Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen reichen oft auch günstigere Katalysatoren, wie z.B. Nickel aus und auch die Wirkungsgrade sind häufig höher.
Weiterhin lassen sich die Brennstoffzellen durch die verwendeten Elektrolyte unterscheiden. Es kommen Polymerelektrolytmembrane
(z.B. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle PEMFC), wässrige alkalische Elektrolyte (z.B. Alkalische Brennstoffzelle - AFC),
wässrige saure Elektrolyte (Phosphorsäure-Brennstoffzelle - PAFC), ionische Elektrolytflüssigkeiten (Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle - MCFC)
sowie Festkörperelektrolyte (z.B. Oxidkeramischen Brennstoffzelle - SOFC) zum Einsatz.
Die bekanntesten Brennstoffzellentypen sind in folgender Tabelle mit ihren Eigenschafen aufgeführt.
| Bezeichnung | Typ | Elektrolyt | Ladungsträger | Brenngas (Anode) | Oxidationsmittel (Kathode) | Temperatur (°C) | Wirkungsgrad (%) | Anwendung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle für Wasserstoff (PEMFC) |
Saure Niedertemperatur-Knallgaszelle | protonenleitende Polymer-Membran (PEM) | Hydroniumion (H3O+) | Wasserstoff (H2) | Sauerstoff (O2) oder Luft; befeuchtet | 60-70 | Zelle: 50-68 | Serienfahrzeuge, Blockheizkraftwerke, Versorgung von Elektronik |
| Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle für alternative Brennstoffe wie Methanol (DMFC), Ethanol(DEFC), etc. |
Niedertemperatur-Knallgaszelle | Protonen leitende Polymer-Membran (PEM) | Hydroniumion (H3O+) | Methanol-Wasser-Gemisch (CH3OH-H2O) Ethanol-Wasser-Gemisch (C2H5OH-H2O) etc. |
Luftsauerstoff (O2) | 60-130 | Zelle: 20-30 | Elektroantriebe, Batterieeinsatz |
| Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) |
Hochtemperatur-Knallgaszelle | oxidkeramischer Elektrolyt (ZrO2 + Y2O3) |
Oxidion (O2-) | Wasserstoff (H2) | Luftsauerstoff (O2) | 800-1000 | Zelle: 60-65 | Blockkraftwerke (bis 250kW) |
| Galvanische Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyten z.B. (AFC) |
Alkalische Niedertemperatur-Knallgaszelle | z.B. 30%ige Kalilauge | Hydroxidion (OH-) | reiner Wasserstoff (H2) | reiner Sauerstoff (O2) | 20-90 | Zelle: 60-70 | Kleinanlagen (bis 150kW); U-Boot Antrieb |
| Galvanische Brennstoffzellen mit saurem Elektrolyten z.B. (PAFC) |
Saure Niedertemperatur-Knallgaszelle | z.B. konzentrierte Phosphorsäure | Hydroniumion (H3O+) | Wasserstoff (H2) |
Luftsauerstoff (O2) | 150-220 | Zelle: 55 | Stationäre Strom- und Wärmeerzeugung |
Die zwei aussichtsreichsten Brennstoffzellentypen nach aktuellem Stand der Technik sind dabei die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und die Festoxid-Brennstoffzelle.
Die "proton exchange membrane fuel cell" (PEMFC) im Deutschen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, auch bekannt als Polymerelektrolytbrennstoffzelle wir oft auch mit PEFC (polymer electrolyte fuel cell) abgekürzt. Diese Art der Brennstoffzelle arbeitet abhängig von der verwendeten Elektrolytmembran im Temperaturbereich von 10 - 100 °C (Niedertemperatur-PEMFC) oder bei 130 - 200 °C (Hochtemperatur-PEMFC). Beide Anwendungen erzielen dabei einen Wirkungsgrad von ca. 60% mit reinem Wasserstoff (ca. 48% mit Erdgas als Brennstoff). An der Kathode wird wie im Funktionsprinzip unter Saurer Elektrolyt beschrieben Wasserstoff oder eine Wasserstoffquelle wie Kohlenwasserstoff an der Anode und Sauerstoff z.B. aus der Luft an der Kathode umgesetzt. Die kontinuierliche Versorgung der Anode mit Wasser wird mit Hilfe einer Rückdiffusion durch die Membran, sowie die Befeuchtung der Edukte erreicht.
Bei der Niedertemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzelle kommt häufig eine Polymermembran aus Nafion®, einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer zum Einsatz.
Diese erhält durch die Befeuchtung mit Wasser einen sauren Charakter und wird so für Protonen leitfähig. Die Leitfähigkeit steigt in Abhängigkeit vom Wassergehalt.
Die Membrane ist beidseitig mit einer meist aus Kohlenstoff gefertigten porösen Elektrode mit entsprechend großer Oberfläche beschichtet, und beinhalten einen Katalysator, häufig Platin oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, oder Platin und Cobalt.
Ein besonderes Augenmerk ist darauf zu legen, dass bei den hier genenutzten Temperaturen kein Kohlenstoffmonooxid (CO), der beispielsweise bei der Gewinnung von
Wasserstoff aus fossilen Erdölquellen als Nebenprodukt anfällt, in die Brennstoffzelle gelangt. Dieses ist wichtig, da bereits ein Anteil von 10 ppm CO im Gasgemisch als Katalysatorgift zu einem Abbruch der Reaktion führen kann.
Denn Kohlenstoffmonoxid besetzt sonst, durch eine hohe Affinität, zu viele katalytisch aktive Zentren der Membranoberfläche. Durch das Spülen der Brennstoffzelle mit Inertgas oder reinem Wasserstoff, kann das schädliche CO jedoch wieder entfernt werden.
Verhindert wird ein zu hoher CO-Gehalt durch die Shift-Reaktion und selektive CO-Oxidation.
Bei der Shift Reaktion kann CO durch die Zugabe von Wasserdampf in einer reversiblen Reaktion zu CO2 und Wasserstoff umgewandelt werden.
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
Dabei verschiebt sich mit steigender Temperatur das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte.
Auch Schwefelverbindungen und Ammoniak im Brenngas sind Katalysatorgifte und müssen nach Möglichkeit im niedrigen ppm-Bereich bleiben.
Bei Hochtemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzellen ist die Elektrolytmembran meist aus Polybenzimidazol gefertigt. Um die Leitfähigkeit für Protonen zu sorgen, dient die Einlagerung von Phosphorsäure in die Polybenzimidazol-Matrix. Die Einlagerung von Wasser, wie bei der NT-PEMFC entfällt hier. Auch gegenüber dem Katalysatorgift Kohlenstoffmonooxid sind die bei 130 - 200 °C ablaufenden Reaktionen deutlich unempfindlicher, dass dieses bei höheren Temperaturen verstärkt desorbiert und so die aktiven Katalysatorzentren wieder frei gibt.
Vorteile PEMFC
Nachteile PEMFC
Entwicklungsstand PEMFC
Aktuell werden erste Serienfahrzeuge (PKWs, LKWs und Busse), kleinere Anlagen und Blockheizkraftwerke mit PEMFC-Brennstoffzellen betrieben. Weiterhin gibt es Einsatzgebiete beim Batterieeinsatz, Versorgung von Elektronik (z. B. Notebooks). Anwendungen in der Raumfahrt oder beim Militär werden ebenfalls weiterentwickelt. Dabei können Leistungen von 5 bis 250 kW erzeugt werden.
Die "solid oxide fuel cell" (SOFC) zu deutsch Festoxidbrennstoffzelle wird bei Temperaturen von 650 - 1000°C betrieben und gehört damit zu den Hochtemperatur Brennstoffzellen.
Charakteristisch für die SOFC-Technik ist der feste Elektrolyt aus Oxid-Keramik. Am häufigsten kommt dabei Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) zum Einsatz. Alternativ kann auch strontium- und magnesiumdotiertes
Lanthangalliumoxid (LSGM) oder Gadolinium dotiertes Ceroxid (CGO) verwendet werden. Hierbei wird ein Wirkungsgrad von bis zu 70% erreicht.
Der Elektrolyt als Herzstück der Brennstoffzelle wird in Form einer Röhre oder
alternativ als planare Membran hergstellt. Dieser ist dabei möglichst dünn gestaltet, um einen energiearmen Transport der Sauerstoff Ionen zu gewährleisten.
Als Kathodenmaterial können elektronisch leitende Perowskite auf Manganbasis verwendet werden z.B. La0.8Sr0.2MnO3 (LSM). Diese bestechen mit hoher Stabilität und geringer Alterung, sind jedoch anfällig
für eine "Vergiftung" mit Chrom, das aus den Stacks verbindenden Elementen aus Chromstahl freigesetzt werden kann und somit die Lebenserwartung deutlich senken. Für die Anode werden dagegen Verbindungen aus Nickel und Yttriumoxid-stabilisiertes
Zirkoniumdioxid (Ni-YSZ) verwendet.
Vorteile SOFC
Nachteile SOFC
Entwicklungsstand SOFC
Aktuell existieren experimentelle Prototypen von Blockkraftwerken zur stationären Stromversorgung. Dabei können Leistungen von bis zu 250 kW erzeugt werden.
