Schmelzkarbonatbrennstoffzelle

Die Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (engl. Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die bei einer Betriebstemperatur zwischen 580 °C und 675 °C arbeitet. Als Elektrolyt verwendet dieser Zellentyp eine Alkalicarbonat-Mischschmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat.^[1][2]

Prinzip

Aufbau einer MCFC

Als Brenngas wird auf der Seite der Anode ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid benutzt, das per interner Reformierung aus einem methanhaltigen Energieträger wie fossilem Erdgas oder Biogas hergestellt wird. Bei der anschließenden Wassergas-Shift-Reaktion entsteht (neben weiterem Wasserstoff) Kohlenstoffdioxid, welches hauptsächlich als Abgas entweicht. Der dort zugesetzte Sauerstoff reagiert unter Reduktion mit dem CO₂ aus der Anodenhalbzelle zu Carbonationen, welche durch den Elektrolyten wandern und sich an der Anode mit dem zu oxidierenden Wasserstoff zu Wasser und Kohlenstoffdioxid verbinden. Letzteres wird zur Kathode geführt, so dass sich ein elektrochemischer CO₂-CO₃^2--Kreislauf mit stetiger Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhr bildet, bei dem Wasser als Produkt entsteht. Im Gesamtprozess wird damit Methan aus Erd- oder Biogas mittels Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert.^[2]

Die Materialien zum Bau dieses Zellentyps sind vergleichsweise günstig, da sie in einem Temperaturbereich arbeitet, bei dem eine akzeptable Reaktionsgeschwindigkeit ohne teure Edelmetallkatalysatoren erreicht wird und preiswertere Nickelelektroden verwendet werden können. Andererseits ist die Betriebstemperatur noch nicht so hoch, dass aufwendige Hochtemperaturwerkstoffe benötigt werden. Schwierig ist der Typ vor allem wegen des Verschleißes durch das ständige Aufwärmen auf hohe Temperaturen und Abkühlen des Systems. Auch die Giftigkeit und Entzündlichkeit des wasserstoffreichen und CO-haltigen Reformats aus der internen Reformierung stellt hohe, aber beherrschbare Anforderungen an die Sicherheit. Die MCFC soll sich in Zukunft in lokalen und auch größeren Kraftwerken einsetzen lassen.^[2]

Reaktionsgleichungen

	Gleichung
Reformierung	${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+H_{2}O\longrightarrow CO+3H_{2}} }$ ${\displaystyle \mathrm {CO+H_{2}O\longrightarrow CO_{2}+H_{2}} }$ Dampfreformierung mit Shiftreaktion
Anode	${\displaystyle \mathrm {H_{2}+{CO_{3}}^{2-}\longrightarrow H_{2}O+CO_{2}+2\ e^{-}} }$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	${\displaystyle \mathrm {{\frac {1}{2}}O_{2}+CO_{2}+2\ e^{-}\longrightarrow {CO_{3}}^{2-}} }$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	${\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}+O_{2}+2CO_{2}(K)\longrightarrow 2\ H_{2}O+2CO_{2}(A)} }$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Weblinks

• Kennzahlen einer MCFC-Brennstoffzelle (Memento vom 7. Juli 2007 im Internet Archive)

Einzelnachweise

1. Hartmut Frey: Energieautarke Gebäude. Springer Berlin Heidelberg, 2018, ISBN 978-3-662-57874-2, S. 425 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
2. Holger Watter: Regenerative Energiesysteme. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2015, ISBN 978-3-658-09638-0, S. 347 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).