Modellierung und experimentelle Validierung einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Hochtemperaturbrennstoffzellen wie die MCFC bieten die Möglichkeit der direkten internen Reformierung (kurz: DIR). Dabei wird der zur Erzeugung von elektrischem Strom benötigte Wasserstoff direkt im Anodenkanal der Brennstoffzelle aus kurzkettigen Kohlenwasserstoffen, meist Methan, gewonnen. Im Vergleich zur Herstellung von Wasserstoff außerhalb der Zelle, der bei Niedrigtemperaturzellen üblichen externen Reformierung (kurz: ER), ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen ist das DIR mit einer geringeren Anzahl von Apparaten zu realisieren, wodurch das System kleiner und tendenziell günstiger wird. Zum anderen sind die endothermen Reformierungsreaktionen und die exothermen elektrochemischen Reaktionen stofflich und energetisch gekoppelt. Dadurch werden nicht nur die Gleichgewichte beider Reaktionen in Richtung hoher Umsätze verschoben, sondern der Wärmebedarf der Reformingreaktion wird unmittelbar durch die sonst konvektiv abzuführende Reaktionswärme der elektrochemischen Reaktion gedeckt. Das stoffliche Zusammenspiel von Reformierung und Oxidation wird in einem isothermen, stationären, örtlich eindimensionalen Modell dargestellt. Dieses ist direkt von einem physikalisch motivierten zweidimensionalen Modell abgeleitet. Es beschreibt die Gaszusammensetzung im Anodenkanal mittels der Reaktionsumsätze von Reformierung und Oxidation und ist eng verknüpft mit einem Umsatzdiagramm, welches als Phasendiagramm des Modells angesehen werden kann. Die Kombination aus Modell und Umsatzdiagramm eignet sich zu verschiedenen Zwecken, beginnend mit der intuitiv begreiflichen Illustration der Vorteile der direkten internen Reformierung mittels graphischer Darstellung und quantitativer Vergleiche unterschiedlicher Konfigurationen von Brennstoffzellen bis hin zum ersten überschlägigen Entwurf von Systemen mit DIR. So können etwa die Auswirkungen der Anodengasrückführung oder die Kaskadierung von Brennstoffzellen anschaulich und zugleich physikalisch fundiert untersucht werden.