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Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)

Die phosphorsaure Brennstoffzelle ("Phosphoric Acid Fuel Cell" - PAFC) ist eine Mitteltemperaturbrennstoffzelle. Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen von ca. 200-250 °C mit einem Elektrolyten. Sie ist bezüglich eingesetzter Brennstoffe deutlich flexibler als die Niedertemperaturbrennstoffzellen.

Aufbau

Die phosphorsaure Brennstoffzelle wird mit konzentrierter, nahezu wasserfreier Phosphorsäure (als Elektrolyt) betrieben. Die Elektroden bestehen aus kunststoffgebundenen Kohlematerialien, die mit katalytisch aktiven Edelmetallpartikeln (Platin und Platinlegierungen oder Gold) belegt sind. Die Phosphorsäure wird nicht wie in der AFC als Flüssigkeit durch die Brennstoffzelle gepumpt, sondern sie wird in einem porösen Kunststoffvlies aufgesaugt und so zwischen die Elektroden positioniert. Die übrigen Bauelemente bestehen entweder aus Graphit oder aus Kunststoffmaterialien.

Die Verwendung einer Säure als Elektrolyt erlaubt auf der Brennstoffseite den Einsatz von CO2-haltigen Gasen, da CO2 nicht mit der Säure reagiert. Dadurch eignet sich die PAFC auch zur Stromerzeugung aus Kohlenwasserstoffen, da das bei der Reformierung anfallende CO2 nicht vom Brenngas abgetrennt werden muss. Ausserdem ist aufgrund der Betriebstemperatur von ca. 200 °C die Toleranz der PAFC gegenüber CO höher. Die PAFC wird zumeist mit dem Brenngas Wasserstoff aus reformiertem Erdgas, Klärgas und dem Oxidationsmittel Luftsauerstoff betrieben. Auch der Einsatz von flüssigem Kohlenwasserstoffen wie etwa Naphtha ist möglich.

Der Entwicklungsstand ist im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen weit fortgeschritten. Verbesserungsbedarf besteht zum Beispiel hinsichtlich der Alterung der Zellen durch Abnahme der elektrischen Spannung (ca. 20 % vom Nennwert) über einen längeren Zeitraum und, wie bei allen Brennstoffzellen, der Kostenreduktion durch Serienherstellung.

Einsatzbereiche

200 kW PAFC, UTCMit Betriebstemperaturen von 160-220 °C empfiehlt sich die phosphorsaure Brennstoffzelle u.a. auch für den Einsatz bei der Kraft-Wärme-Kopplung, alternativ für das herkömmliche Motor-BHKW. Bei der Brennstoffzelle vom Typ PureCell 200 (200 kWe, 220 kWth) des US-amerikanischen Herstellers UTC Power wurden elektrische Wirkungsgrade von 50 % und elektrische Systemwirkungsgrade von etwa 40 % gemessen. Da sie mit einer Mindesttemperatur von etwas mehr als 40 °C gefahren werden muss und der Aufheizvorgang von 50 °C auf 180 °C Betriebstemperatur etwa 3 Stunden dauert, ist diese phosphorsaure Brennstoffzelle bei kontinuierlichem Betrieb für die Grundlastversorgung geeignet. Nach einer vergleichsweise langen Betriebszeit von 40.000 Stunden müssen bisher die Stacks der Anlagen ausgetauscht werden. (Bild rechts: PAFC des Typs PureCell 200 der Fa. UTC)

Die Marktchancen werden durch die realisierbare Kostensenkung bei Brennstoffzelle und Peripherie festgelegt, das Marktvolumen entspricht dem von BHKW gleicher Leistung.