Mikromodellierung einer keramischen Hochtemperaturbrennstoffzelle

Die Deckung des weltweiten Energiebedarfs basiert zur Zeit hauptsächlich auf fossilen Brennstoffen. Größtenteils wird über den Zwischenschritt der Verbrennung die chemisch gebundene Energie in elektrische umgewandelt. Das wesentliche Problem stellt die hohe CO$_{2}$-Emmission in die Atmosphäre und die damit wahrscheinlich verbundene Erderwärmung dar, die durch Verwendung der fossilen Brennstoffe entsteht . Außerdem müssen auf Grund der begrenzten Vorräte in der Zukunft mehr ressourcenschonende Quellen bereitgestellt werden, um die Energieversorgung langfristig zu gewährleisten. Derzeit bieten Kernenergie und regenerative Energiequellen wie Wasser-, Wind- und Solarenergie eine Alternative. Bei ansteigendem weltweiten Energieverbrauch läßt sich heute noch keine technische und zugleich wirtschaftliche Lösung finden, einen Großteil des Energiebedarfs durch erneuerbare Energiequellen bereitzustellen [1]. Neben der Erforschung neuer Energiequellen stellt die effiziente Nutzung der vorhandenen Ressourcen mit geringerer Umweltbelastung eine wichtige Aufgabe dar. Brennstoffzellensysteme können bei hohen Wirkungsgraden direkt chemisch gebundene Energie in elektrische Energie umwandeln. Sie verursachen auf Grund der niedrigen Betriebstemperaturen keine Stickstoffoxid-Emissionen und der hohe Wirkungsgrad bewirkt niedrige Kohlendioxid-Emissionen. Das zumeist verwendete Brenngas Wasserstoff kann sowohl aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas über Reformierung oder partielle Oxidation als auch durch erneuerbare Energiequellen (Wasser, Wind, Solar) per Elektrolyse hergestellt werden (Bild 1.1). In dem letzteren Fall dient Wasserstoff als Energiespeicher. Bei einem Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft können Brennstoffzellen eine wichtige Rolle spielen. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die üblicherweise nach dem eingesetzten Elektrolyten und der Betriebstemperatur unterteilt werden. Die Niedertemperaturbrennstoffzelle PEFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) wird aktuell im mobilen Bereich favorisiert, da sie ein gutes dynamisches Verhalten zeigt. Die PEFC hat inzwischen ein fortgeschrittenes Entwicklungsstadium erreicht. Daneben gehören AFC (Alkaline Fuel Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) und PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen. Bei stationären Anwendungen besitzen Hochtemperaturbrennstoffzellen wie MCFC (Motten Carbonate Fuel Cell) und SOFC (Solide Oxide Fuel Cell) auf Grund ihrer hohen Wirkungsgrade die größten Einsatzpotentiale. Gerade im Bereich der dezentralen Hausenergieversorgung oder kleinerer Kraftwerke laufen im Moment Feldversuche in der Industrie. Die tubulare SOFC Ausführung von Siemens-Westinghaus zeigt exzellente Langzeitstabilität hinsichtlich der gelieferten Leistung. Nachteil ist die hohe Betriebstemperatur von circa 1000°C, bei der auf teure Spezialwerkstoffe zurückgegriffen werden muß. Alternativ existieren zum Beispiel bei Sulzer-Hexis planare SOFCs, die das Potential besitzen, bei niedrigeren Betriebstemperaturen von etwa 700°C die gleiche Leistung zu erzielen. Im Gegensatz zu Niedertemperaturbrennstoffzellen können die SOFCs mit Methan beaufschlagt werden [2]. [...