Brennstoffzellen. Proton-Exchange-Membran-Fuel-Cell (PEM-Brennstoffzellen) Zellspannung: 0,5 bis 1 V (durch Spannungsverluste)

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1 Brennstoffzellen Kennzeichen: Im Gegensatz zu Akkumulatoren, wo Substanzen während des Entladens aufgebraucht werden, werden bei der Stromentnahme aus Brennstoffzellen die Edukte laufend zugeführt. Brennstoffzellen sind somit reine Energiewandler. Beispiel: Anode: Kathode: Gesamt: Proton-Exchange-Membran-Fuel-Cell (PEM-Brennstoffzellen) 2 H H 2 O 4 H 3 O e - ΔE Zelle = E (Kathode) - E (Anode) = O H 3 O e - 6 H 2 O E (O 2 ) E (H 2 ) = +1,23V 0V = +1,23V 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Zellspannung: 0,5 bis 1 V (durch Spannungsverluste) Folie Nr. 1

2 PEM-Brennstoffzelle Bildquelle: G. Kickelbick, Chemie für Ingenieure Bildquelle: Folie Nr. 2

3 Elektrolyse Kennzeichen: Im Gegensatz zu den spontan ablaufenden elektrochemischen Reaktionen stellt die Elektrolyse einen Prozess dar, bei dem elektrische Energie dazu genutzt wird, eine nicht spontan ablaufende chemische Reaktion zu erzwingen. Beispiel: Elektrolyse von Wasser: Allgemeines Funktionsschema: Kathode: 2 H 3 O e - H H 2 O Anode: 4 OH - O H 2 O + 4e - Gesamt: 2H 2 O O H 2 Quelle: Folie Nr. 5

4 Elektrolyse - technische Anwendung Anwendungsbereiche: Herstellung von metallischen Schutzschichten auf korrosionsgefährdeten Metallen (Galvanisieren): z.b. Verchromen von Eisenteilen Elektrolytische Metallgewinnung aus wässriger Lösung (nur möglich bei Metallen, die in Wasser stabil sind): z.b.: Cu, Zn, Cd, Ni, Sn Elektrolytische Metallgewinnung aus Salzschmelzen z.b. Al, Mg, Na, K, Ca Elektrolytisches Reinigen von Metallen: In Wasser: Cu, Ag, Au, Pt, Ni In Salzschmelzen: Aufarbeitung von Alt-Aluminium Folie Nr. 8

5 Schmelzelektrolyse von Aluminium Ausgangsmaterialien: Al 2 O 3 : sehr hoher Schmelzpunkt! (> 2000 C) Elektrodenmaterialien: Reaktionsgleichung: Anode: C + 2O 2- CO e - Kathode: Al e - Al Gesamt: 2 Al 2 O C 4 Al + 3 CO 2 Zusatz von Kryolith (Na 3 AlF 6, Schmelzpunkt: 1012 C) Graphit-Anode, Wanne mit Graphit-Verkleidung als Kathode Bedingungen: Betriebsspannung: 5 7 V Strom: bis A Stromdichte: 0,4 A/cm² Strombedarf: 1 kg Aluminium benötigt 13,5 bis 15 kwh elektr. Energie!! Energiebedarf für Recyling: 5-10% der Primär-Al-Herstellung! Folie Nr. 9

6 Technik Schmelzelektrolyse bei Al Bildquelle: G. Kickelbick, Chemie für Ingenieure Folie Nr. 10

7 Stoffströme Al-Schmelzelektrolyse Quelle: Basiswissen Schule Chemie Abitur, Duden-Verlag Folie Nr. 11

8 Korrosion Korrosion von Eisen Fakten zur Korrosion von Metallen Korrosionsarten Korrosionsschutz Folie Nr. 12

9 Korrosion von Eisen Korrosion: Beispiel: unerwünschter spontan ablaufender Redoxprozess Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung und messbare Veränderung des Werkstoffs, die zu einer Funktionsbeeinträchtigung des Bauteils führen kann Korrosion von Eisen Warum rostet Betonstahl nicht? 1. Stufe: O 2 (g) + 4 H + (l) + 2 Fe (s) 2 Fe 2+ (aq) + 2 H 2 O 2. Stufe: 4 Fe 2+ (aq) + O 2 (g) + x H 2 O (l) 2 Fe 2 O 3 (s) x H 2 O + 8 H + (aq) Bildquelle: G. Kickelbick, Chemie für Ingenieure Folie Nr. 13

10 Fakten zur Korrosion von Metallen Korrosion aufgrund unterschiedlicher Normalpotentiale: Kontakt von zwei Metallen mit unterschiedlichen Normalpotentialen führt häufig zu Korrosionserscheinungen (Wasserstoffkorrosion oder Sauerstoffkorrosion) Unedleres Metall geht in Lösung (Anode): M M z+ (aq) + z e - Edleres Metall bildet Kathode: 2 H + (aq) + 2e - H 2 (g) 2 H 2 O(l) + O 2 (g) + 4 e - 4 OH - Unterschiedliche Elektrolytkonzentrationen: Kathode und Anode besitzen gleiches Metall aber unterschiedliche Elektrolytkonzentrationen z.b. unterschiedlicher Sauerstoffgehalt bei Eisenkorrosion im Wassertropfen Im Inneren des Tropfens herrscht eine niedrigere Konzentration als im Randbereich Folie Nr. 14

11 Korrosionsarten (1) Lochfraßkorrosion: Kleinflächige aber tiefe Korrosionserscheinung in Metallen, Auftreten bei passivierten Metallen, bei denen die schützende Oxidschicht angegriffen wurde, z.b. durch Chlorid-Ionen, mit Sauerstoff Repassivierung, Förderung unter Sauerstoffmangel Bildung von Lokalelementen durch Einschlüsse: Schlechte Verarbeitung Bildung von Einschlüssen mit anderem Normalpotential z.b. Schweißnähte, Lötstellen, Unedleres Metall geht in Lösung Bildquelle: G. Kickelbick, Chemie für Ingenieure Folie Nr. 15

12 Korrosionsarten (2) Zerfall des Gefüges (vorwiegend in Legierungen): Interkristalline Korrosion (Kornzerfall) Korrosion erfolgt entlang der Korngrenzen (Bereiche unterschiedlicher Ausrichtung mit ansonsten gleicher Kristallstruktur) im Metall Selektive Korrosion Korrosion eines Bestandteils einer Legierung: z.b. Entzinkung von Messing (Cu/Zn) bei Sanitärarmaturen Spongiose von Gusseisen Bildquelle: G. Kickelbick, Chemie für Ingenieure Eisenreiche Phase bildet Anode, Graphit bildet Kathode Bildung von FeOOH Formstabilität bleibt erhalten, Verlust der Festigkeit und mechanischer Belastbarkeit Folie Nr. 16

13 Korrosionsarten (3) Korrosion aufgrund verschiedener Elektrolytzusammensetzung Unterschiedliche Sauerstoffkonzentration im Elektrolyten aufgrund mangelnder Aufnahmemöglichkeit des Luftsauerstoffs, z.b. unter Nieten, in Spalten Ausbildung eines Konzentrationselements: Bildquelle: G. Kickelbick, Chemie für Ingenieure Folie Nr. 17

14 Korrosionsarten (4) Korrosion beim Auftreten mechanischer Belastungen Spannungsrisskorrosion bei gleichzeitigem Einwirken von Elektrolyten und Zugspannungen Bedingungen: - Werkstoff empfindlich gegen Spannungsrisskorrosion - Zugspannungen müssen vorliegen - Spezifisches Angriffsmittel (Cl -, NH 3, SO 2, NO, NO 3- ) muss vorhanden sein Wasserstoff als Korrosionsursache Wasserstoffversprödung oder Beizsprödigkeit Diffusion von atomaren Wasserstoff in die Zwischengitterplätze örtliche Aufblähungen bei Diffusion von atomaren Wasserstoff aus der Wasserstoffkorrosion, wenn Diffusion von Wasserstoffatomen in Werkstoff schneller erfolgt, als die H 2 -Bildung Folie Nr. 18

15 Korrosionsschutz (1) Schutzschichten aus Metall Tauchverfahren Galvanisieren Plattieren mit Metallen Eintauchen in Metallschmelze wie z.b. Feuerverzinken elektrochemische Abscheidung von metallischen Überzügen z.b. Verchromung von Armaturen Überzug von Deckmetall unter Temperatur und Druck z.b. Aufwalzen von Deckmetallfolien, Ag, Cu, Ni, Messing Zinkschicht als Opferanode Bildquelle: G. Kickelbick, Chemie für Ingenieure Folie Nr. 19

16 Korrosionsschutz (2) Anorganische Verbindungen als Schutzschicht z.b. Schutzschicht aus Oxiden, Phosphaten und Erzwungene Passivierung erzwungene Passivierung z. B. Beschleunigte Bildung einer Oxidschicht bei Al durch Eloxieren (elektrochem. Oxidation) Phosphatieren Behandlung der Metalloberflächen mit wässrigen Phosphatlösungen Bildung von fest haftenden Metallphosphatschichten (mikroporös) Grundlage für Lackierung im Automobilbau lieren Überzug aus glasbildenden Oxiden, im saueren und neutralen Bereich beständig Nachteile: geringe Temperaturwechselbeständigkeit und Schlagempfindlichkeit Folie Nr. 20

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