BRENNSTOFFZELLEN Ingrid HantschkHans Fibi PABW April 2007 Uniwersytet

BRENNSTOFFZELLEN Ingrid Hantschk/Hans Fibi PABW April 2007 Uniwersytet Mikolaja Kopernika IPUC TFPC 29274 -IC-2 -2005 -1 -AT-ERASMUS-IPUC-19 2007 HF-PABW 1

Wasserelektrolyse Johann Georg Ritter 1800 Wasserelektrolyse Die Wasserelektrolyse zur Gewinnung des Wasserstoff war die Grundlage für die Möglichkeit, eine Brennstoffzelle zu bauen. Die beiden Elektroden enden unter den Auffanggefäßen für Sauerstoff und Wasserstoff. 2007 O 2 HF-PABW H 2 2

Wasserelektrolyse nachgebaut Elektrolyse im Experiment (nach Ritter, 1800): - + Nachweis: H 2 Knallgasprobe O 2 glimmender Span entzündet sich Wasser mit Soda versetzt 2007 HF-PABW 3

Wasserelektrolyse Plastikspritzen Stricknadel als Elektrode eingeschmolzen oder eingeklebt 2007 HF-PABW Na 2 CO 3 Waschsoda konz. 4

Wasserelektrolyse Der englische Chemiker William Nicholson (1753 -1815) wies im Jahr 1800 nach, dass Blasen von Sauerstoff und Wasserstoff entstehen, wenn die Drähte von einer Batterie in Wasser tauchen. Zersetzungsapparat nach Hofmann Zersetzungsspannung: U = 1, 23 V H 2 O und 0, 1 m H 2 SO 4 2007 HF-PABW 5

Wasserelektrolyse 2007 HF-PABW 6

Wassersynthese Knallgasreaktion 2 H 2 + O 2 2 H 2 O prüfen auf H 2 prüfen auf O 2 2007 HF-PABW 7

Wasserelektrolyse Sauer: Zersetzungsspannung U = 1, 23 V Katodenreaktion: 2 H+ + 2 e- H 2 Anodenreaktion: H 2 O 2 H+ + ½ O 2 + 2 e. Summenreaktion: H 2 O H 2 + ½ O 2 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 Basisch: Zersetzungsspannung U = 1, 7 – 2, 3 V Katodenreaktion: 2 H 2 O + 2 e- 2 OH- + H 2 Anodenreaktion: 2 OH- H 2 O + ½ O 2 + 2 e. Summenreaktion: H 2 O H 2 + ½ O 2 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 2007 HF-PABW 8

Wasserelektrolyse – Elektrolyse der Schwefelsäure Katodenreaktion: 2 H+ + 2 e- H 2 Anodenreaktion: 2 HSO 4 - S 2 O 82 - + 2 H+ + 2 e. H 2 S 2 O 8 + H 2 O H 2 SO 5 + H 2 SO 4 H 2 SO 5 + H 2 O H 2 SO 4 + H 2 O 2 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 2007 HF-PABW 9

Brennstoffzelle historisch Hofmann-Apparat: Bei Vorhandensein von H 2 und O 2 existiert zwischen den beiden Polen elektrische Spannung. 2007 HF-PABW 10

Elektrolyseur Wasservorrat H 2 O 2 Diaphragma Bei geeignetem Diaphragma wird reines Wasser elektrolysiert. 2007 HF-PABW 11

Elektrolyseur Katode Reduktion 2 H 2 O + 2 e- 2 OH- + H 2 Anode Oxidation 2 OH- H 2 O + ½ O 2 + 2 e. Redox-Prozess räumlich getrennt Bei geeignetem Diaphragma wird reines Wasser elektrolysiert. 2007 HF-PABW 12

Elektrolyseur Wasserzersetzung – Membranelektrolyse Diaphragma ionendurchlässig gasundurchlässig NAFION-Membran Zersetzungsspannung > 1, 23 DCV Saure Membranelektrolyse Alkalische Membranelektrolyse Hochtemperaturelektrolyse 2007 HF-PABW 13

Brennstoffzelle Oxidierbarer Stoff Wasserstoff Methanol 2007 Oxidationsmittel Sauerstoff HF-PABW 14

Brennstoffzelle Elektrolyseur Brennstoffzelle: freiwilliger Vorgang bei U 0 = 1, 40 V Oxidation: 2 H 2 4 H+ + 4 e. Reduktion: O 2 + 4 e- + 2 H 2 O 4 OHSumme: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O + Energie 2007 Elektrolysezelle: erzwungener Vorgang bei U 0 > 1, 40 V Reduktion: 4 H+ + 4 e- 2 H 2 Oxidation: 4 OH- O 2 + 4 e- + 2 H 2 O Summe: 2 H 2 O + Energie 2 H 2 + O 2 HF-PABW 15

Brennstoffzelle + Katode Sauerstoff Elektrolyt Wärme Wasser 2007 - Anode Wasserstoff HF-PABW 16

Brennstoffzelle schematisch Quelle: Univ. Prof. Dr. Kordesch, TU Graz 2007 HF-PABW 17

Brennstoffzelle schematisch H 2 + ½ O 2 H 2 O mit G = - 237 k. J/mol U = 1, 23 V technisch U ~ 0, 9 V G: Freie Reaktionsenthalpie H: Reaktionswärme n: Anzahl der übertragenen Elektronen (n = 2) F: Faraday-Konstante (96487 C/mol) E: Spannung in Volt 2007 HF-PABW 18

Brennstoffzelle alkalisch KOH H 2 ½ O 2 2 OH 2 e- 2 H 2 O Anode, porös Elektrolyt basisch: Anodenreaktion: Katodenreaktion: H 2 O 6 mol KOH 2 e. Katode, porös H 2 + 2 OH- 2 H 2 O + 2 e½ O 2 + H 2 O + 2 e- 2 OH- Beide Reaktionen laufen katalytisch ab. Summenreaktion: H 2 + ½ O 2 H 2 O 2007 HF-PABW 19

Brennstoffzelle sauer 2 e. Saure BZ 2 H+ Anode H 2 Katode H 2 O H 2 SO 4 Ni-Elektrode O 2 Liegt ein saurer Elektrolyt vor, ergeben sich die folgenden Reaktionen: Anodenreaktion: H 2 2 H+ + 2 e Katodenreaktion: 1/2 O 2 + 2 H+ + 2 e- H 2 O Summenreaktion: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O 2007 HF-PABW 20

2007 HF-PABW 21

Brennstoffzelle Selbstbau Sonnenstrahlung oder Filmleuchte Solargenerator 4 Zellen seriell verschaltet 2007 Solarmotor als Verbraucher Umschalter Laden. Entladen HF-PABW Funktionsmodell eines Bleiakkus 22

Brennstoffzelle Selbstbau K Alkalische Brennstoffzelle: KOH conc. / 2 Kohleplatten 2007 Glühlampe 6 V/0, 3 W als Verbraucher K. . . Küvette mit Kohleelektroden als Modell einer Brennstoffzelle HF-PABW 23