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Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ("Molten Carbonate Fuel Cell" - MCFC) ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Die MCFC arbeitet auf einem noch eher moderaten Temperaturniveau bei ca. 650 °C. Die Bandbreite der einsetzbaren Brennstoffe erweitert sich dabei nochmals deutlich gegenüber der Mitteltemperatur-Brennstoffzelle.

Aufbau

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen Elektrolyten in Form geschmolzener Karbonate, zumeist Alkalikarbonate wie Lithiumkarbonat (Li2O3) und Kaliumkarbonat (K2CO3), aus. Diese eutektische Mischung ist bis etwa 480 °C fest, bei der Betriebstemperatur von ca. 650 °C weist diese in einer Matrix eingebundene Salzschmelze eine gute Leitfähigkeit des Elektrolyten für O2--Ionen auf. Die MCFC ist aus relativ preiswerten Materialien wie Nickel, Nickeloxid, Keramik und Stahl aufgebaut. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur ist kein Platinkatalysator notwendig; Nickel und Nickeloxid sind ausreichend elektrochemisch aktive Elektrodenmaterialien. Aufgrund der hochkorrosiven Karbonatschmelzen, die viele Materialien angreifen, liegt ein Hauptproblem in der Auswahl geeigneter Werkstoffe. Hierdurch wird die Lebensdauer der MCFC entscheidend beeinflusst.

Die MCFC ist unempfindlich gegen Kohlenmonoxid, nur Schwefel-Verbindungen und Halogene sind aus den Reaktionsgasen zu entfernen. Da Kohlendioxid (CO2) in die Zellreaktionen der MCFC einbezogen wird, ist dieser Brennstoffzellentyp sehr gut zur Verstromung kohlenstoffhaltiger Brenngase geeignet, welche unter Ausnutzung der Abwärme des Brennstoffzellenstacks zu Wasserstoff und CO2 reformiert werden. Die Brenngasreformierung wird durch einen Reformierkatalysator direkt in der Anodenkammer untergebracht (sog. interne Reformierung).In der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle werden der Kathode Luft und Kohlendioxid (CO2), der Anode Wasserstoff zugeführt. Charakteristisch an der MCFC ist, dass der Luftsauerstoff durch die doppelt negativ geladenen Karbonationen, die sich durch Lösung von Luftsauerstoff und CO2 im Elektrolyten bilden, von der Kathode zur Anode transportiert werden. An der Anode reagieren die Karbonationen mit dem Wasserstoff zu Wasser und CO2, welches als Anodenabgas wieder der Kathode zugeführt werden muss und so den CO2-Kreislauf schließt. Dieses sogenannte Heiß- oder Anoden(ab-)gas ist die eigentliche Besonderheit des MCFC-Konzepts.

Die MCFC ist dadurch prinzipiell in der Lage, unterschiedliche Brenngase direkt zu verarbeiten. Erdgas kann unmittelbar als Brenngas eingesetzt werden, denkbar sind auch andere Kohlenwasserstoffe wie Bio- und Klärgas. Jedoch ist aufgrund des oben genannten CO2-Kreislaufes die gesamte verfahrenstechnische Auslegung von MCFC-Anlagen etwas aufwändiger als bei den übrigen Brennstoffzellentypen (ein zusätzliches Elektrolyt- und CO2-Management ist notwendig).

Dem Einsatz der MCFC stehen noch einige Probleme gegenüber. Die Lebensdauer der Brennstoffzellenstacks wird durch die Instabilität der Kathode (Auflösung), die Korrosion des Separators zwischen den Stacks und die Deformation der Elektrolytmatrix erheblich eingeschränkt.

Einsatzbereiche

Die MCFC wird in einem Leistungsbereich von ca. 250-400 kWe gebaut werden. Kleinere Leistungen werden aus Kostengründen günstiger mit der PEFC realisiert. Der Zellenwirkungsgrad ist mit mehr als 60 % höher als bei der PAFC. Der relativ hohe Wirkungsgrad der MCFC im Vergleich zur PAFC ergibt sich aus dem höheren Temperaturniveau.

Aufgrund der zellinternen Reformierung wird bei der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ein elektrischer Systemwirkungsgrad von 52-54 % erwartet, durch die Kombination mit einem nachgeschalteten Dampfprozess wäre ein elektrischer Systemwirkungsgrad von 65 % möglich, zusätzliche Wärmeauskopplung ließe insgesamt einen Nutzungsgrad von mehr als 80 % erreichbar erscheinen lassen.

Da diese Brennstoffzelle mehrere Stunden Aufheizzeit benötigt und zur Vermeidung von Wärmespannungen langsam abkühlen soll, wird sie bei der Energieversorgung hauptsächlich für die Grundlast in Frage kommen und aufgrund der hohen Betriebstemperatur zusätzlich zur Stromerzeugung für die Bereitstellung von Prozesswärme auf mittlerem Niveau und Prozessdampf interessant sein.