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Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

1940
  • Emil Baur
  • H. Preis
Festoxid-Brennstoffzellensystem in industriellen Energietechnologieanwendungen.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Ein festes Oxid Brennstoffzelle SOFCs (Feststoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen) verwenden ein festes, porenfreies Keramikmaterial, typischerweise Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), als Elektrolyt. SOFCs arbeiten bei sehr hohen Temperaturen zwischen 500 und 1000 °C. Diese hohe Temperatur ermöglicht eine flexible Brennstoffwahl, sodass Kohlenwasserstoffe wie Erdgas direkt verwendet werden können und teure Katalysatoren aus Platingruppenmetallen überflüssig werden.

In an SOFC, the charge carrier through the electrolyte is the oxide ion ([latex]O^{2-}[/latex]). At the cathode, oxygen molecules from the air are reduced by incoming electrons from the external circuit to form oxide ions: [latex]O_2 + 4e^- \rightarrow 2O^{2-}[/latex]. These oxide ions are then transported through the dense ceramic electrolyte to the anode. At the anode, the oxide ions oxidize the fuel. For hydrogen fuel, the reaction is [latex]H_2 + O^{2-} \rightarrow H_2O + 2e^-[/latex]. The released electrons travel through the external circuit to the cathode, completing the circuit and generating electricity.

Die hohe Betriebstemperatur ist sowohl Vorteil als auch Herausforderung. Sie ermöglicht eine schnelle Reaktionskinetik ohne Edelmetallkatalysatoren und erlaubt die interne Reformierung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen direkt an der Anode, was die Systemauslegung vereinfacht. Die hochwertige Abwärme kann für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) genutzt werden, wodurch Gesamtwirkungsgrade des Systems von über 80 % erreicht werden. Die hohen Temperaturen stellen jedoch auch erhebliche Herausforderungen an die Materialwissenschaft und erfordern robuste Keramiken und Verbindungen, die Temperaturwechsel standhalten und Degradation verhindern. Dies führt auch zu langen Anlaufzeiten, wodurch SOFCs eher für die kontinuierliche Stromerzeugung als für Anwendungen mit häufigen Ein-/Ausschaltzyklen geeignet sind.

UNESCO Nomenclature: 3305
Energietechnologie

Typ

Physikalisches Gerät

Störung

Wesentliche

Verwendung

Nische/Spezialisiert

Vorläufer

  • Erfindung der Nernst-Lampe durch Walther Nernst (1897), bei der ein fester keramischer Elektrolyt (YSZ) verwendet wurde
  • Das grundlegende Brennstoffzellenprinzip wurde von William Grove (1838) entdeckt.
  • Fortschritte in der Keramikwissenschaft und bei Hochtemperaturmaterialien

Anwendungen

  • stationäre Großstromerzeugung für Industrie- und Gewerbegebäude
  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), die hochwertige Abwärme nutzen
  • Hilfsaggregate (APUs) für Fahrzeuge wie Fernverkehrs-Lkw
  • Netzstützung und dezentrale Stromerzeugung
  • militärische und ferngesteuerte Stromversorgungsanwendungen

Patente:

NA

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Verwandte Themen: SOFC, Festoxid, keramischer Elektrolyt, YSZ, Hochtemperatur, Brennstoffflexibilität, Kraft-Wärme-Kopplung, KWK, stationäre Stromversorgung, interne Reformierung.

Historischer Kontext

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

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1945-01-01
1949
1950
1950

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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