www h 2 training eu Kapitel Brennstoffzellen Technologie

www. h 2 training. eu Kapitel: Brennstoffzellen. Technologie

www. h 2 training. eu Inhaltsverzeichnis èEinführung in die historischen Hintergründe von Brennstoffzellen. èGrundsätzliches über Brennstoffzellen. èGrundlagen der Elektrochemie. èGrundlagen der Thermodynamik. èHochtemperatur- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen. èSystemintegration von Brennstoffzellen. èBetrieb von Brennstoffzellen. èGesundheitliche und sicherheitstechnische Aspekte.

Historische Hintergründe www. h 2 training. eu B Sir W. R. Grove

www. h 2 training. eu B Sir Groves 'galvanische Gasbatterie' Das Prinzip der Elektrolyse (Darstellung links) einer Brennstoffzelle (Darstellung rechts). (Quelle: Larminie, 2000)

Geschichtliche Übersicht www. h 2 training. eu 1838/39 1843 1989 1896 Sir W. Grove 1900 1905 1932 1935 1938 1959 Anwendungen in Nischenbereichen B Vor-Serienfertigung 1964 1967 60 er/80 er Jahre 1984 Entdeckung des Brennstoffzellen-Effekts: ð 1838 C. F. Schönbein “On the Voltaic Polarization of Certain Solid and Fluid Substances”. ð 1839 Sir W. Grove “On the Voltaic Series and the Combination of Gasses by Platinum”. Aufbau einer "Gasbatterie“ durch Grove. Arbeiten von L. Mond und C. Langer führten zur ersten alkalischen Brennstoffzelle. Sie entdeckten ebenfalls die hohen Verluste auf der Sauerstoffseite. W. W. Jaques benutzte geschmolzenes Natriumhydroxid als Elektrolyt mit dem Ziel der Kohledirektverstromung. W. Nernst konzeptionelle Arbeiten zur Festelektrolyt-Brennstoffzelle(SOFC). F. Haber führte systematische Untersuchungen zur Thermodynamik einer Wasserstoff verzehrenden Brennstoffzelle durch. F. T. Bacon begann ein langfristiges Brennstoffzellen-Entwicklungsprogramm. W. Schottky entwickelte die theoretischen Grundlagen der SOFC. E. Baur und H. Preis berichten über experimentelle Arbeiten zur SOFC. F. T. Bacon baute den ersten funktionierenden 5°k. W alkalischen Brennstoffzellenstack. Membranbrennstoffzelle versorgte Gemini Raumfahrzeug. Konzept der phosphorsauren Brennstoffzelle durch UTC. Alkalische Brennstoffzellen werden für Apollo und Space Shuttle verwendet. “Wiederentdeckung" der Polymermembranbrennstoffzelle.

Frühe Anwendungen von Brennstoffzellen www. h 2 training. eu Frühe Anwendungen von èUS- Weltaumprogramm Brennstoffzellen US-Weltraumprogramm: ü Herkömmliche Batterien zu groß, schwer und giftig. ü Photovoltaik noch nicht für den praktischen Einsatz geeignet. ü Raumfahrzeuge transportieren bereits H 2 und O 2. ü Wasser ist ein Nebenprodukt. B

www. h 2 training. eu B Brennstoffzellen für das Raumfahrtprogramm der NASA Nasa Space Shuttle Orbiter Brennstoffzelle. Eine der drei Brennstoffzellen an Bord des Space Shuttle. Diese Brennstoffzellen produzieren nicht nur den kompletten Strom, sondern auch das Trinkwasser, wenn sich das Space Shuttle im Flug befindet. Die Produktionsleistung ist 12 Kilowatt Strom und 154 Liter Wasser (Quelle: NASA).

www. h 2 training. eu Grundsätzliches über Brennstoffzellen Warum brauchen wir Brennstoffzellen? ü Schwindende Ölvorräte. ü Treibhausgase reduzieren. ü Giftige Abgase reduzieren. B

www. h 2 training. eu Übersicht Brennstoffzellen-Technologie èDirekte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. èEffiziente Umwandlung. èMinimale Umweltverschmutzung, da keine Verbrennung stattfindet. èAnders als bei Batterien müssen Reduktionsmittel (Wasserstoff) und Oxidationsmittel (Luft) ergänzt werden. B

Kalte und warme Verbrennung www. h 2 training. eu Warme Verbrennung: n Unkontrollierter Reaktionsverlauf n Die freiwerdende Wärme wird auf ein Arbeitsmedium übertragen (z. B. Wasser, Wasserdampf) n Das Arbeitsmedium durchläuft einen Kreisprozess und treibt eine Turbine mit Generator an Brennstoff Wärme Bewegung Turbine Elektrizität Generator Kalte Verbrennung (Brennstoffzellen): n Kontrollierter Reaktionsverlauf (keine Flamme) n Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie n Umweg über ein Arbeitsmedium ist nicht notwendig! B H O H Brennstoff Quelle: WBZU Elektrizität

Theroretischer Wirkungsgradvergleich www. h 2 training. eu § Höhere Effizienz des elektrochemischen Prozesses im Vergleich zum Carnot-Prozess § Energieeinsparung § Reduzierung von D h FC CO 2 - Emissionen Quelle: WBZU I Brennstoffzellen arbeiten bei niederen Temperaturen besonders effizient!

Leistungspotenziale in der praktischen Anwendung www. h 2 training. eu Efficiency Brennstoffzellen Dh Dh Diesel Benzin I Elektrische Ausgangsleistung Dampf- und Gasturbinen

Komponenten einer Brennstoffzelle www. h 2 training. eu Die meisten Brennstoffzellen bestehen aus einer Anzahl von Komponenten: èElementarzelle (Elektrode-Membran-Einheit), in der die elektrochemische Reaktion stattfindet. èStacks, in denen einzelne Zellen elektrisch verbunden werden, und so die gewünschte Leistungsfähigkeit erreichen. è"Balance of plant" (Subkomponenten), dazu gehören Komponenten, die eine Aufbereitung des Eingangsmaterials bieten (einschließlich eines "Fuel Processor", falls erforderlich), Wärmekontrolle, elektrische Aufbereitungseinheiten und andere Schnittstellenfunktionen. B

www. h 2 training. eu B Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle

www. h 2 training. eu Batterien im Vergleich zu Brennstoffzellen èBatterien speichern Energie im Reduktionsmittel (Säure). èBatterien schalten aus wenn chemische Reaktanten verbraucht werden. èBrennstoffzellen wandeln Energie aus Brennstoffen und Oxidationsmitteln um, die fortlaufend zur Verfügung gestellt werden. B

Funktionsweise einer PEM-Zelle www. h 2 training. eu I

www. h 2 training. eu B Obwohl der direkte Einsatz konventioneller Brennstoffe in Brennstoffzellen wünschenswert wäre, verwenden die meisten heute entwickelten Brennstoffzellen als Energieträger gasförmigen Wasserstoff oder ein Synthesegas, das reich an Wasserstoff ist. Wasserstoff hat eine hohe Reaktionsfähigkeit zu Anodenvorgängen, außerdem lässt sich Wasserstoff aus einer Vielzahl fossiler und erneuerbarer Energieträger chemisch herstellen, ebenso über Elektrolyse. Aus ähnlich praktischen Gründen ist Sauerstoff das am häufigsten eingesetzte Oxidans, denn er steht jederzeit aus der Luft zur Verfügung. Brennstoffzellen werden je nach eingesetztem Elektrolyt und Brennstoff klassifiziert, dies wiederum bestimmt die Reaktionen in den Elektroden und die Art von Ionen, die den Strom über das Elektrolyt leiten.

www. h 2 training. eu Kritische Funktionen von èKritische Funktionen von Zellenkomponenten èDreiphasengrenzfläche. èMikroskopische Bereiche. èElektrode in Kontakt mit dem Elektrolyt. èVerbesserte Leistung: ü Geringere Dicke des Elektolyts. ü Für Elektrode und Elektrolyt werden bessere Werkstoffe verwendet. ü Größere Temperaturbereiche. B

www. h 2 training. eu Andere kritische Funktionen von Elementarzellen-Komponenten èElektrolyt: ü Transportiert gelöste Reaktanten zur Elektrode. ü Leitet Ionenladungen zwischen den Elektroden. ü Physikalische Grenze zwischen Brennstoff und Oxidans. èElektroden: ü Leitung von Elektronen zur und von der Dreiphasengrenzfläche. ü Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung von Gasen über die Zellen. ü Sicherstellung der Abführung von Reaktionsprodukten. B

www. h 2 training. eu Elektroden èDurchlässiges Material. èElektrisch leitendes Material. èKatalysatoren benötigt bei niedrigen Temperaturen. èDie meisten in Entwicklung befindlichen Zellen sind planar (rechteckig oder kreisförmig) oder röhrenförmig. B

www. h 2 training. eu Anwendungen von Brennstoffzellen èStationär – Kraftwerke. èMobil - Kraftfahrzeuge, Motorroller, Fahrräder. è“Tragbarer” Strom - Ersatz für Batterien. èDiverses - Lokomotiven, Flugzeuge, Boote, U-Boote. B

Grundlagen der Elektrochemie www. h 2 training. eu Elektrochemische Reaktionen beinhalten sowohl die Übertragung elektrischer Ladungen wie auch die Änderung Gibb‘scher freier Enthalpie (freie Energie), die im Bereich Brennstoffzellen sehr wichtig ist. Gibb‘sche freie Enthalpie = Energie, die zur Durchführung externer Arbeit zur Verfügung steht, dabei wird jedwede Arbeit durch Veränderung in Druck und/oder Volumen ignoriert. In einer Brennstoffzelle beinhaltet die externe Arbeit die Bewegung von Elektronen in einem externen Kreislauf – jede Arbeit, die aufgrund einer Veränderung im Volumen zwischen Input und Output geleistet wird, wird von der Brennstoffzelle nicht genutzt. B

www. h 2 training. eu Bei der Arbeit mit chemischen Reaktionen wird die Nullpunktenergie normalerweise als reine Elemente im Normalzustand, unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen (25°C, 0, 1 MPa) definiert. Die Bezeichnung ‘freie Standardbildungsenthalpie’, Gf, wird der Bezeichnung ‘Gibb‘sche freie Energie' in diesem Zusammenhang vorgezogen. In einer Brennstoffzelle ist es die Änderung in dieser freien Standardbildungsenthalpie, Gf , durch die Energie, die freigesetzt wird, zur Verfügung steht. Die Veränderung ist der Unterschied zwischen der Gibb‘schen freien Energie des Produktes und der Gibb‘schen freien Energie der zugeführten Energie oder Reaktanten. Gf = Gf der Produkte − Gf der Reaktanten B Sofern es in der Brennstoffzelle zu keinen Verlusten kommt, wird sämtliche Gibb‘sche freie Energie in elektrische Energie umgewandelt.

§ Theoretisches Potential der Brennstoffzellen www. h 2 training. eu Es gilt: elektrische Arbeit das Produkt von Ladung und Potential Wel = q·E wobei Wel = elektrische Arbeit (Jmol-1) ; q = Ladung (Coulombs Mol-1); E = el. Potential (Volt). Die gesamte in einer Reaktion weitergeleitete Ladung je Mol verbrauchter Brennstoff entspricht: q = -n. NAvgqel wobei B n = die Anzahl weitergeleiteter Elektronen je Brennstoffmolekül ist; Navg= die Anzahl von Molekülen je Mol (Avogadro-Konstante) = 6, 022· 1023 Moleküle/Mol; qel = Ladung 1 Elektrons = 11. 602 10 -19 Coulomb.

Das Produkt der Avogadro-Konstante und der Ladung 1 Elektrons ist als Faraday-Konstante bekannt: F = 96, 485 Coulombs/Elektron-Mol. www. h 2 training. eu -n. NAvgqel = -n. F Die ergibt sich für die elektrische Arbeit: Wel = -n. FE Die maximale Quantität an elektrischer Energie, die in einer Brennstoffzelle erzeugt wird, entspricht der Gibb‘schen freien Energie, ΔG: Wel = ΔG Das theoretische Potential von Brennstoffzellen ist somit E = -ΔG/(n. F) Diese Gleichung gibt die elektromotorische Kraft (EMK), oder auch die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle an. B

www. h 2 training. eu Betrachten wir die Wasserstoff-/Sauerstoff-Brennstoffzelle. Die grundlegende Reaktion verläuft wie folgt: H 2 → 2 H+ + 2 e- (Anode) ½ O 2 + 2 H+ + 2 e- → H 2 O (Kathode) H 2 + ½ O 2 → H 2 O (gesamt) Bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle wandern für jedes entstandene Wassermolekül und jedes verbrauchte Wasserstoffmolekül zwei Elektronen durch den externen Stromkreis. Daraus ergibt sich für die Wasserstoff-Brennstoffzelle folgende reversible Zellspannung: E = -ΔG/(2 F) B Weil G, n und F bekannt sind, beträgt bei T=298, 15 K das theoretische Potential der H/O-Brennstoffzelle E=1, 23 V.

§ Betriebsspannungen Brennstoffzelle www. h 2 training. eu ØSpannungsverluste Spannung einer typischen Niedertemperatur -Brennstoffzelle bei Umgebungsluftdruck B Dieses Diagramm heißt Polarisationskurve

www. h 2 training. eu Der charakteristische Verlauf der Spannungs/Stromdichte-Kennlinie hängt hauptsächlich von vier Irreversibilitäten ab. 1. Aktivierungsverluste. 2. Gaspermeation und interne Ströme. 3. Ohmsche Verluste. 4. Stofftransport- oder Konzentrationsverluste. B

www. h 2 training. eu Kombiniert man die genannten Verlustmechanismen, wird die Betriebsspannung durch folgende Gleichung dargestellt: E = Eocv-ΔVact-ΔVohm-ΔVtrans B

Ø Aktivierungsverluste – Die Tafel-Gleichung www. h 2 training. eu B v. Tafel-Diagramm für langsame und schnelle elektrochemische Reaktionen.

www. h 2 training. eu Die Aktivierungsüberspannungs-Kurve wird durch die Tafel-Gleichung bestimmt: ΔVact = Bln( i ∕ i 0 ) Die Konstante B ist die Tafel-Steigung und wird definiert durch: B = RT ∕ (2 a. F) Die Stromdichte i 0 wird als Austauschstromdichte bezeichnet. B

Grundlagen der Thermodynamik www. h 2 training. eu § Reaktionswärme Betrachten wir die Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle Die Reaktion sieht wie folgt aus: H 2 → 2 H+ + 2 e- (Anode) ½ O 2 + 2 H+ + 2 e- → H 2 O (Kathode) H 2 + ½ O 2 → H 2 O (gesamt) Die Gesamtreaktion gleicht der Reaktion bei der Verbrennung von Wasserstoff. Verbrennung ist ein exothermer Prozess, d. h. dass in dem Prozess Energie freigesetzt wird. H 2 + ½ O 2 → H 2 O + Wärme B Die Wärme oder Enthalpie (ΔH) einer chemischen Reaktion ist der Differenz der Enstehungsenthalpien von Produkten und Reaktanten. Das bedeutet: ΔH = (hf)H 2 O-(hf)H 2 - ½ (hf)O 2

www. h 2 training. eu Die Bildungsenthalpie von flüssigem Wasser ist -286 kjmol-1 bei 25°C; außerdem ist die Bildungsenthalpie von Elementen per Definition gleich Null. Daraus folgt: ΔH = (hf)H 2 O-(hf)H 2 - ½ (hf)O 2 = -286 KJ/mol -0 -0 = -286 KJ/mol Das negative Vorzeichen bedeutet, dass Energie bei der Reaktion freigesetzt wird, was wiederum bedeutet, dass dies eine exotherme Reaktion ist. So lautet die Gleichung H 2 + ½ O 2 → H 2 O + 286 k. J mol-1 B Die Enthalpie der Verbrennung von Wasserstoff wird auch der Brennwert von Wasserstoff genannt. Es ist die Wärmemenge, die bei der kompletten Verbrennung von 1 Mol Wasserstoff erzeugt wird.

§ Theoretische elektrische Arbeit www. h 2 training. eu Der Heizwert von Wasserstoff wird als Maß für die zugeführte Energie einer Brennstoffzelle genommen. Das ist die größtmögliche Wärmemenge, die aus Wasserstoff gewonnen werden kann. In der Brennstoffzelle wird ein Anteil der zugeführten Energie (ΔH) in Elektrizität umgewandelt, die der Gibb’schen freien Energie (ΔG) entspricht. ΔG = ΔH -TΔS Bei der Energiewandlung gibt es aufgrund der Entstehung von Entropie (ΔS) einige irreversible Verluste. ΔS ist die Differenz der Entropien der Produkte und Reaktanten. ΔS = (sf)H 20 – (sf)H 2 – ½ (sf)O 2 B Daraus folgt, dass bei 25°C aus 286, 02 k. J mol-1 verfügbarer Energie 237, 34 k. J/mol in elektrische Energie umgewandelt werden können – und die restlichen 48, 68 k. J mol-1 in Wärme. Weicht die Temperatur ab, unterscheiden sich die Werte.

§ Einfluss von Temperatur und Druck www. h 2 training. eu v Temperatur Das theoretische Zellenpotential E = -ΔG/(n. F) ändert sich mit der Temperatur. E = - [ΔH/(n. F)-TΔS/(n. F)] B

v Druck www. h 2 training. eu Druck bewirkt eine Veränderung der Gibb’schen freien Energie, die wie folgt ausgedrückt werden kann: d. G = Vmd. P wobei Vm = Molvolumen (m 3 mol-1); P= Druck (Pa). Für ein ideales Gas gilt: PVm = RT Daraus folgt: d. G = RTd. P/P nach der Integration: G = G 0 + RTln(P/P 0) G 0 ist die Gibb’sche freie Energie bei Standarddruck und – temperatur (1 atm und 25°C), während P 0 der Referenz - oder Standarddruck (1 atm) ist. Für jede chemische Reaktion gilt: B j. A + k. B m. C + n. D ΔG = m. GC + n. GD - j. GA - k. GB

www. h 2 training. eu ΔG = ΔG 0 + RT ln {[ (PC/P 0)m (PD/P 0)n] / [(PA/P 0)j (PB/P 0)k]} Dies ist die Nernst-Gleichung, wobei P der Partialdruck der jeweiligen Reaktanten oder Produkte ist und P 0 den Referenzdruck (1 atm) darstellt. Für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sieht die Nernst-Gleichung wie folgt aus: ΔG = ΔG 0 + RT ln [PH 2 O / (PH 2 PO 20. 5)] E = E 0 + RT/(n. F) ln[PH 2 PO 20. 5/PH 20] B

§ Theoretischer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle www. h 2 training. eu Der Wirkungsgrad jedes Energiewandlers wird definiert als das Verhältnis von nutzbar abgegebener Energie zu aufgenommener Energie. Bei der Brennstoffzelle ist die nutzbare Energie die elektrische Energie und die aufgenommene Energie ist die Enthalpie des Wasserstoffs. Mit der Annahme, dass die gesamte Gibb’sche freie Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wäre der maximale Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle: h = ΔG / ΔH = 237, 34 /286, 02 = 83% B

Hoch- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen www. h 2 training. eu Derzeit haben sich 6 Brennstoffzellen-Typen als jetzt und in naher Zukunft realisierbare Systeme herauskristallisiert. Einteilung nach Betriebstemperatur, Elektrolytart und Anwendung. B

Einteilung der Brennstoffzellen nach Betriebstemperatur www. h 2 training. eu ü Hochtemperatur-Brennstoffzelle: § Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Carbonatschmelzen. Brennstoffzelle. § Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Festoxid-Brennstoffzelle. ü Mitteltemperatur-Brennstoffzelle: § Alkaline Electrolyte Fuel Cell (AFC) alkalische Brennstoffzelle. § Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Phosphorsäure-Brennstoffzelle. ü Niedertemperatur-Brennstoffzelle: § Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Polymer-Elektrolyt -Membran-Brennstoffzelle. § Direct methanol Fuel Cell (DMFC)Direktmethanol-Brennstoffzelle. B

Übersicht Brennstoffzellen-Typen www. h 2 training. eu B

Hochtemperatur-Brennstoffzelle www. h 2 training. eu § Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle B

www. h 2 training. eu Vorteile MCFC: ü Aufgrund der hohen Betriebstemperatur werden keine teuren Elektrokatalysatoren benötigt. Nachteile MCFC: ü Sehr aggressive und dünnflüssige Elektrolyte erfordern teure Werkstoffe für die Zellenstruktur ü Hohe Temperaturen nachteilig für Material ü Hoher Eigenwiderstand begrenzt Leistungsdichte B

www. h 2 training. eu § Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Festoxid. Brennstoffzelle ØDer Elektrolyt ist ein festes nicht-poröses Metalloxid (Keramikeletrolyt), normalerweise ein durch Yttrium (Y 2 O 3) stabilisiertes Zirkoniumdioxid (Zr. O 2). Es fungiert als Leiter der Sauerstoffionen. Standard: ØDie Anode ist aus kobalt- oder nickellegiertem Zikoniumdioxid (Co-Zr. O 2 or Ni-Zr. O 2 ), genannt Cermet (Kerametall: metall-keramischer Werkstoff), ØDie Kathode besteht aus strontiumdotiertem (Sr) Lanthanmanganat (La. Mn. O 3). B

www. h 2 training. eu B Schematischer Querschnitt einer röhrenförmigen SOFC von Siemens-Westinghouse

www. h 2 training. eu B Röhrenbündel-Design für eine tubulare SOFC und Zwischenzellverbindung in einer tubularen SOFC

www. h 2 training. eu Vorteile: üDank der Festelektrolyten kann die Zelle in verschiedenen Formen hergestellt werden. üKeramische Konstruktion schwächt Korrosionsprobleme ab. üVerwendung von Festelektrolyten ermöglicht genaueste Fertigung und verhindert Bewegung des Elektrolyten. Nachteile: üUngleichmäßige Wärmeausdehnung zwischen Werkstoffen. üAbdichten zwischen Zellen bei Flachzellenaufbau schwierig. üHohe Betriebstemperaturen begrenzen die Auswahl der Werkstoffe. üAufwendige Fertigungsprozesse. B

Mitteltemperatur-Brennstoffzellen www. h 2 training. eu B § Alkaline Electrolyte Fuel Cell (AFC) alkalische Brennstoffzelle

Vorteile: www. h 2 training. eu ü Hervorragender Wirkungsgrad mit H 2 und O 2 im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen Nachteile: ü Empfindlichkeit des Elektrolyten gegen CO 2 bedingt den Einsatz hochreinen H 2 als Brenngas ü Sollte Umgebungsluft als Oxidans verwendet werden, muss das CO 2 vorher entfernt werden. B

§ Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Phosphorsäure-Brennstoffzelle www. h 2 training. eu Elektrochemische Reaktionen: Anode: H 2 2 H++2 e. Kathode: ½ O 2+2 H++2 e- H 2 O Gesamtreaktion: ½ O 2+H 2 H 2 O B Grundsätzliche Arbeitsweise einer PAFC (Quelle: UTC Fuel Cells)

www. h 2 training. eu Vorteile: üKaum empfindlich gegen CO. üNiedrigere Betriebstemperaturen erlauben die Verwendung handelsüblicher Werkstoffe. üSystemwirkungsgrad bei 37 -42%, basierend auf Erdgas. LHV (Lower Heating Value; unterer Heizwert). üAbwärme ist bei den meisten Anwendungen im Bereich Kraft-Wärme-Kopplung einfach zu nutzen. Nachteile: üErfordert aufwendige Brenngasaufbereitung für gute Leistungswerte. üSehr aggressive Phosphorsäure erfordert den Einsatz teurer Werkstoffe im Stack. B

Niedertemperatur-Brennstoffzellen www. h 2 training. eu § Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle B

Elektrochemische Reaktionen: www. h 2 training. eu Anode 2 H 2 4 H++4 e. Kathode O 2+4 H++4 e- 2 H 2 O Gesamtreaktion O 2+2 H 2 O B

www. h 2 training. eu Vorteile: üFestelektrolyte lassen keine Gaspermeation zu. üTiefe Betriebstemperaturen ermöglichen schnelles Anfahren. üKeine korrosiven Zellenbestandteile. Nachteile: üTiefer und sehr begrenzter Temperaturbereich erschwert die Kontrolle des Wärmehaushalts. üAbwärme ist für Kraft-Wärme-Kopplung oder Nachschaltprozesse nicht nutzbar. üWasserhaushalt problematisch. üEmpfindlich gegen Vergiftung durch kleinste Verunreinigungen. B

www. h 2 training. eu § Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Direktmethanol-Brennstoffzelle Ø Dies ist eine Sonderform von Niedertemperatur. Brennstoffzellen, die auf der PEM-Technologie basieren. Ø Betriebstemperaturen ähnlich der PEMFC. Ø Methanol wird direkt in die Zelle gespeist, ohne dass Wasserstoff vom Alkohol abgespalten wird. Methanol ist der bevorzugte Brennstoff, da es leicht aus Erdgas oder Biomasse gewonnen werden kann. B Ø Elektrokatalysator ist wie bei PEMFC Platin, das manchmal mit Ruthenium (Ru), Blei (Pb) und anderen Stoffen legiert wird, was eine positive Auswirkung auf die Katalysatoraktivität in Bezug auf Methanoloxidation hat.

www. h 2 training. eu Elektrochemische Reaktion: Anode CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6 H+ + 6 e- B Kathode O 2+4 H++4 e- 2 H 2 O Gesamtreaktion CH 3 OH + 1, 5 O 2 CO 2+2 H 2 O

Systemintegration von Brennstoffzellen www. h 2 training. eu Ein System wird definiert als eine Gruppe von Elementen, Objekten oder Gegenständen, die so in einer Wechselbeziehung stehen, dass sie ein Ganzes bilden und als Einheit funktionieren. Im Fall der Brennstoffzelle beinhaltet das System alle notwendigen Komponenten für den Betrieb des Stacks einer Brennstoffzelle und damit für die Erzeugung elektrischen Stroms. Üblicherweise gehören zum System Brennstoffzelle folgende Komponenten: Stack (das Herz der Anlage), Oxidans-Versorgung, Brennstoffversorgung, Wärmehaushalt, Wasserhaushalt, Abhängig von Brennstoff und Oxidans können Brennstoffzellen Stromaufbereitung und eine Systemgruppe Leittechnik. in 3 Kategorien unterteilt werden: § Wasserstoff/Sauerstoff-Systeme. § Wasserstoff/Luft-Systeme. B § Reformat/Sauerstoff-Systeme.

Stack-Aufbau einer PEMFC www. h 2 training. eu B

Stack-Aufbau einer PEMFC www. h 2 training. eu PFFC-Stack (ZSW-Ulm) I

Stack-Aufbau einer PEMFC www. h 2 training. eu Membran-Elektroden. Einheit Bipolare Platte Dichtung Trägerschicht B Quelle: Modell einer PEFC (ZSW-Ulm) Membran. Elektroden- Einheit Bipolare Platte aus Graphit-Verbundstoff

Stationäres Brennstoffzellensystem www. h 2 training. eu Reformer I FC-System ZSW / ISE Herstellungsjahr 1999 Ort: Fachhochschule Ulm Reformer: Fraunhofer Institute ISE FC-System: ZSW

Kraft-Wärme-Kopplung/Brennstoffzellen-System Stationäres Brennstoffzellensystem (System für Lehrbetrieb) www. h 2 training. eu Sauerstoff Wechselrichter Ort: WBZU Hersteller: Heliocentris Elektrizität Wasserstoff Brennstoffzelle Prozesswasser Heizung B Kühlkreislauf

Betrieb von Brennstoffzellen www. h 2 training. eu Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen hängt von Prozessvariablen (z. B. Temperature, Druck, Brenngaszusammensetzung, Reaktantnutzung, Stromdichte), der Art der Zelle und noch anderen Faktoren (Verunreinigungen, Zellenbetriebsdauer) ab, die das ideale Zellenpotential und das Ausmaß der Spannungsverluste beeinflussen. Die folgenden Folien geben Informationen über die Auswirkungen einiger Betriebsparameter. Betrachtet werden: B § Druck. § Temperatur. § Gasdurchsatz. § Relative Feuchte des Gases.

§ Druck www. h 2 training. eu Die Erhöhung des Betriebsdrucks hat Vorteile: ü Geringere Spannungsverluste ü Geringere Elektrolytverlust durch Verdamfen ü Erhöhter Wirkungsgrad Aber auch Nachteile: ü Erhöhte Systemkosten ü Größere Geräte- und Werkstoffbelastung ü Erhöhte parasitäre Leistungsverluste B

§ Temperatur www. h 2 training. eu Temperatur wirkt sich hauptsächlich Folgendes aus: • Reaktionsgeschwindigkeit der Elektrode. Sie nimmt mit steigender Temperatur zu. • Ohmsche Verluste. Der Einfluss der Temperatur auf den Zellenwidertand unterscheidet sich je nach Material; allerdings ist bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen als Gesamtwirkung eine deutliche Reduzierung des Widerstands festzustellen, während sich bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen nur ein geringerer Effekt erzielen lässt. B Der Massentransport wird innerhalb der typischen Temperatur- und Druckbereiche der meisten Brennstoffzellen kaum von Temperaturänderungen beeinflusst.

§Gasdurchsatz www. h 2 training. eu Die Durchflussgeschwindigkeit der Reaktanten am Einlass der Brennstoffzelle muss größer/gleich der Verbrauchsrate der Reaktanten sein. Die Verbrauchsrate (mol/s) von Wasserstoff und Sauerstoff wird durch das Faraday’sche Gesetz bestimmt: d. NH 2/dt = I/(2 F); d. NO 2/dt = I/(4 F) wobei d. N/dt = Verbrauchsrate (mol/s); I=Strom(A); F= Faraday-Konstante (C/mol). B Es können und in einigen Fällen müssen sogar mehr Reaktanten nachgeführt werden als verbraucht werden. Das Verhältnis des momentanen Stoffstroms am Zelleinlass und die Verbrauchsrate des Reaktanten wird stöchiometrisches Verhältnis genannt: S = (d. Nact/dt)/(d. Ncons/dt)

www. h 2 training. eu Höhere Massenströme resultieren in besseren Wirkungsgraden. Reines H 2 kann im Dead-End-Modus (S=1) oder mit einer stöchiometrischen Verhältnis etwas größer als 1 zugeführt werden; H 2 in einem Gasgemisch muss mit größerem S zugeführt werden. Ähnlich ist es bei reinem Sauerstoff: Das notwendige stöchiometrische Verhältnis liegt zwischen 1, 2 -1, 5, aber bei Verwendung von Luft liegt das Verhältnis bei 2 oder höher. Zwei der Gründe, warum der Wirkungsgrad mit dem Massenstrom zunimmt, sind. • Höhere Massenströme helfen beim Abführen des Produktwassers aus der Zelle. • Höhere Massenströme sorgen für anhaltend hohe Sauerstoffkonzentration. B

§ Relative Feuchte des Gases www. h 2 training. eu Beide Reaktantgase müssen normalerweise befeuchtet werden, bevor sie in die Zelle geleitet werden, weil die Membran Wasser benötigt, um die Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Das Feuchteverhältnis ist das Verhältnis der vorhandenen Menge Wasserdampf zum Anteil Trockengas. Relative Feuchte ist das Verhältnis vom Partialdruck des Wasserdampfs (pv) zum Sättigungsdampfdruck (pvs) , welcher die maximale Menge Wasserdampf in einem Gas für vorgegebene Bedingungen definiert: j =p v/pvs. Sättigungsdampfdruck ist ausschließlich eine Funktion der Temperatur. B

Ø Diagnosemöglichkeiten Brennstoffzelle www. h 2 training. eu Ein Diagnose-Tool kann schon während des Entwicklungsprozesses der Brennstoffzelle eingesetzt werden, um mögliche Fehler und deren Gründe aufzuzeigen. Zwei dieser Diagnose-Tools können Informationen über die Arbeitsweise der Brennstoffzelle geben: § Polarisationskurve. § Stromunterbrechung. B

§ Polarisationskurve www. h 2 training. eu B

§Stromunterbrechung www. h 2 training. eu B ü Polarisationskurve ist nützlich, gibt aber nicht immer genügend Informationen. Mit ihrer Hilfe kann z. B. nicht zwischen dem Fluten und Austrocknen einer Zelle unterschieden werden (beide haben Spannungsverlust zur Folge). ü Stromunterbrechungsmethode ermöglicht schnelle Messung des Zellwiderstands. Diese Methode erlaubt es, den Widerstand einer Zelle durch sehr kurze Stromunterbrechungen über einen Zeitraum zu bestimmen. Zellwiderstand wird bestimmt durch die Differenz der Zellspannung vor und nach der Unterbrechung, dividiert durch den Strom. Dies ermöglicht durch die Betrachtung der Zellwiderstandsentwicklung über einen bestimmten Zeitraum, zwischen verschiedenen Erscheinungen zu unterscheiden.

www. h 2 training. eu Sicherheitsaspekte beim Brenngas Wasserstoff ü Wasserstoff stellt wie jeder andere Brennstoff oder Energieträger bei unsachgemäßer Handhabung ein Risiko dar. ü Die spezifischen physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs unterscheiden sich deutlich von denen herkömmlicher Brennstoffe. ü Während einige dieser Eigenschaften Wasserstoff eher weniger gefährlich machen, können andere ins Gegenteil umkehren. B Insgesamt scheint H 2 ein vergleichbar gefährlicher Stoff wie andere Brennstoffe zu sein.

www. h 2 training. eu Sicherheitsrelevante Eigenschaften von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Brennstoffen Leckagewahrscheinlichkeit Volumen freigesetzter Brennstoff Energiegehalt freigesetzter Brennstoff Untere Zündgrenze in Luft (Vol. -%) Minimale Zündenergie Energiedichte bei Explosion Flammensichtbarkeit Wärmeabstrahlung der Flamme B Rauchtoxzität der Flamme

§ Wahrscheinlichkeit Leck www. h 2 training. eu ü H 2 ist das kleinste Molekül und hat somit eine größere Neigung zu entweichen als andere flüssige oder gasförmige Kraftstoffe. ü die Tendenz von Wasserstoff durch Löcher oder Verbindungen zu entweichen ist 1, 26 mal bis 2, 8 mal so groß wie die von Erdgas. § Volumen und Energiegehalt des freigesetzten Kraftstoffs ü Bei sehr großen Lecks in Hochdruckbehältern ist die Leckrate durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. ü H 2 hat eine höhere Schallgeschwindigkeit (1308 m/s) als Erdgas (449 m/s) und würde anfangs wesentlich schneller entweichen. B ü Trotzdem würde durch ein Erdgasleck mehr Energie entweichen, weil die Energiedichte von Erdgas mehr als 3 mal höher als die von Wasserstoff ist. ü Außerdem entweicht im Fall eines Lecks Wasserstoff viel schneller als jeder andere Kraftstoff und reduziert dadurch das Explosionsrisiko.

§ Untere Zündgrenze in Luft (Vol. -%) und Mindestzündenergie www. h 2 training. eu ü Ein Wasserstoff/Luft-Gemisch kann in einem relativ weiten Volumenbereich von 4% bis 75% Wasserstoffanteil in der Luft brennen ü Andere Kraftstoffe haben viel begrenztere Zündbereiche: Erdgas (5, 3 -15%), Propan (2, 1 -10%) und Benzin (1 -7, 8%). ü Die untere Zündgrenze von Wasserstoff ist 4 -mal höher als die von Benzin, 1, 9 -mal höher als die von Propan und ein bisschen geringer als die von Erdgas. B ü Wasserstoff hat eine sehr geringe Mindestzündenergie (0, 02 m. J); ungefähr eine Größenordnung unter der anderer Kraftstoffe.

§ Energiedichte bei Explosion www. h 2 training. eu ü Wasserstoff weist die geringste Energiedichte bei einer Explosion auf (22 -mal geringer als Benzindampf). § Sichtbarkeit, Wärmeabstrahlung und Rauchtoxizität der Flamme ü Wasserstoffflamme ist fast unsichtbar, was gefährlich sein kann. ü Wasserstoffflamme hat eine geringe Wärmeabstrahlung. B ü Brennt Wasserstoff, wird nur Wasserdampf erzeugt (bei Benzinbrand auch Rauch und Ruß).