Wasserstoff / Brennstoffzellen
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Die phosphorsaure Brennstoffzelle – PAFC


Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC), ist eine der am weitesten entwickelten Brennstoffzellentypen und hat eine hohe technologische Reife erlangt. Mehrere hundert Systeme im Leistungsbereich von 100-200 kW wurden bisher installiert.

Die PAFC arbeitet in einem Temperaturbereich zwischen 160°C und 200°C und wird mit Wasserstoff und Luft betrieben. Als Elektrolyt dient konzentrierte Phosphorsäure. Gegenüber der PEM-Brennstoffzelle besteht eine geringere Empfindlichkeit bezüglich Kohlendioxid und Kohlenmonoxyd. Allerdings haben moderne PEM-Brennstoffzellen eine ganz ähnliche Betriebstemperatur und damit besteht dieser Vorteil nicht mehr.

Phosphorsaure Brennstoffzellen haben im Dauerbetrieb eine sehr hohe Standfestigkeit und Zuverlässigkeit bewiesen. Sie reagieren allerdings sehr träge Leistungsschwankungen und sind daher vor allem für einen kontinuierlichen Dauerbetrieb sehr gut geeignet. Die Temperatur im inneren der Zelle darf nie unter 42°C sinken, da der Elektrolyt sonst irreversibel auskristallisiert.

Aufgrund der hohen Fertigungskosten und des auch in der Massenfertigung geringen Kostenreduktionspotenzials wird kaum noch über eine breite Markteinführung von PAFC gerechnet. Verschiedene Hersteller behalten diese jedoch im Lieferprogramm, da in Nischenmärkten Kosten oft eine Nebenrolle spielen. Ansonsten gehen die Entwicklungen eher in die Richtung einer Hochtemperatur (< 200°C) PEM-Brennstoffzelle, da hier ein größeres Kostenreduktionspotenzial gesehen wird und die PEM-Brennstoffzelle wesentlich dynamischer betrieben werden kann.

Funktion der PAFC-Brennstoffzelle

  • Schritt 1
    Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.
  • Schritt 2
    Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
  • Schritt 3
    Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (hoch-konzentrierte Phosphorsäure) zur Kathodenseite.
  • Schritt 4
    Die Elektronen wandern von der Anode zur Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
  • Schritt 5
    Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
  • Schritt 6
    Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und wandern zu den positiv geladenen Protonen.
  • Schritt 7
    Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.

Phosphorsaure Brennstoffzelle


Anwendungen der PAFC-Brennstoffzelle

Die PAFC wird ausschließlich für die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt.

Die PAFC war die erste kommerziell verfügbare Brennstoffzelle. In Einheiten mit einer elektrischen Leistung von 200 kW und einer thermischen Leistung von 220 kW wurde sie von der amerikanischen Firma ONSI angeboten (später UTC Fuel Cells und Toshiba). Bisher wurden weltweit rund 200 PAFC-Anlagen installiert.