Phosphorsäurebrennstoffzelle

Die Phosphorsäurebrennstoffzelle (engl. Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle.

Prinzip

Schnittdarstellung durch eine PAFC

Die PAFC unterscheidet sich von anderen Brennstoffzellen dadurch, dass sie mit Phosphorsäure als Elektrolyt arbeitet. Die hochkonzentrierte Phosphorsäure (90 –100 %) ist in einer PTFE-Faserstruktur fixiert. Wie alle Brennstoffzellen produziert sie Strom durch die Oxidation eines Brenngases. Als Brenngas dient Wasserstoff. Als Oxidationsmittel kann Luft oder reiner Sauerstoff eingesetzt werden. Es müssen keine Reingase verwendet werden. Spuren von Kohlendioxid in den Gasen stellen bei der PAFC im Gegensatz zur AFC kein Problem dar. Die phosphorsaure Brennstoffzelle arbeitet in einem Temperaturbereich von 135 – 200 °C.

Aufgrund der Temperatur und des Einsatzes von Phosphorsäure gelten hohe Anforderungen an die Qualität und die Widerstandskraft der Bauteile. In der Regel werden Kohlenstoff und Graphitteile für die Elektroden benutzt. Der Vorteil dieses Typs ist, dass er verhältnismäßig unempfindlich gegen Verunreinigung des Brenngases ist.

Reaktionsgleichungen

	Gleichung
Anode	$\mathrm{2H_2 + 4\ H_2O \to 4\ H_3O^+ + 4\ e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{O_2 + 4\ H_3O^+ + 4\ e^- \to 6\ H_2O}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Der innere Ladungstransport erfolgt wie bei der PEMFC mittels Oxonium-Ionen. Auf der Anodenseite benötigt die Reaktion Wasser und produziert welches auf der Kathodenseite. Um den Wasserbedarf auf der Anodenseite zu decken ist ein aufwändiges Wassermanagement erforderlich. Realisiert wird dies u.a. durch Rückdiffusion durch die Membran. Überschüssiges Wasser wird als Wasserdampf durch einen Luftüberschuss auf der Kathodenseite ausgetragen.

Vor- und Nachteile gegenüber anderen Brennstoffzellen

Vorteile einer PAFC sind:

• Robust
• Erhöhte Toleranz gegenüber Verschmutzungen des Brenngases
• Auf der Kathodenseite kann Luft verwendet werden (kein Reingas erforderlich)
• Gutes dynamisches Verhalten
• CO₂-tolerant

Nachteile sind:

• Geringe Leistungsdichte
• Niedrige Lebensdauer (bedingt durch den äußerst aggressiven Elektrolyten)
• CO ist ein Katalysatorgift
• Anlagenwirkungsgrad eher niedrig

SAFC

Bei den Feststoff-Säure Brennstoffzellen (engl: Solid acid fuel cell, SAFC) bilden feste Phosphatsalze den Elektrolyten. Oberhalb 220°C liegt die Protonenleitfähigkeit oberhalb von 0.05 (Ωcm)^-1 und erreicht fast die Werte von PEFC (um 0.1 (Ωcm)^-1). Die Salzbildung von Phosphorsäure wird durch die Zugabe von Alkaliphosphaten eingeleitet:

Cs3PO4 + 2H3PO4 → 3CsH2PO4

Aktuell (2011) wird untersucht, SAFC mit Wasserstoff zu betreiben, das durch Reformation aus Benzin gewonnen wird.^[1]

Verweise

1. ↑ SAFC mit Diesel

Weblinks

• PAFC
• Verständliche interaktive Animation von BIGS zu Aufbau, Typen und Anwendung von Brennstoffzellen