HappyEvening am Brennstoffzellen zur mobilen Energiebereitstellung

Transkript

1 HappyEvening am Brennstoffzellen zur mobilen Energiebereitstellung T. Pröll

2 Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung

3 Grundlagen Geschichte Stromgewinnung aus Brennstoffen Brennstoffzelle vs. Galvanische Zelle Elektrochemisches Potenzial (Zellspannung) Verhalten der belasteten Zelle Kennlinie

4 Geschichte Prinzip der Brennstoffzelle 1838 von C.F. Schönbein als Umkehrung der Elektrolyse entdeckt Erste Zelle von Sir William Robert Grove 1839 demonstriert

5 Stromerzeugung aus Brennstoffen Umwandlung von chemisch gebundener Energie in elektrische Energie Klassisch mit Umweg über Wärme und mechanische Energie (Verbrennungsmotor, Dampfprozess, etc.) Problem der begrenzten Umwandelbarkeit von Wärme Brennstoffzelle umgeht diese Problematik (teilweise) Basis von Wirkungsgradformulierungen ist der Heizwert Pel η m & H = + U Pel Q& el = m & H U ab

6 Prinzip der klassischen Brennstoffzelle

7 Brennstoffzelle vs. Galvanische Zelle Brennstoffzelle Energiewandler Elektroden sind Katalysatoren (Pt, etc.) Elektrolytzusammensetzung ist konstant Komplexe Reaktion an einer Dreiphasen- Grenzfläche (Gas- Katalysator-Elektrolyt) Galvanische Zelle Energiespeicher Elektroden reagieren chemisch Elektrolytzusammensetzung ändert sich Vergleichsweise einfache Zweiphasen-Reaktion (Elektrode-Elektrolyt)

8 Zellspannung Leerlaufspannung durch die Stoffeigenschaften und die Konzentrationen der Reaktionspartner bestimmt (Nernst-Gleichung) Praktische Zellspannung nimmt mit zunehmender Belastung (Strom) ab (Polarisationseffekte): Aktivierungspolarisation Konzentrationspolarisation Ohmsche Verluste

9 Verhalten der belasteten Zelle Beispiel Oxidkeramische Brennstoffzelle Zellspannung vs. Stromdichte Leistungsdichte vs. Stromdichte 1.0 X fuel = 85 % X air = 25 % S/C = 3.5 p = 0.5 MPa 2.0 IRSOFC temperature T = 1000 C T = 900 C Effective cell voltage [V] IRSOFC temperature T = 1000 C T = 900 C T = 800 C T = 700 C Power density [kw. m -2 ] T = 800 C T = 700 C X fuel = 85 % X air = 25 % p = 0.5 MPa S/C = Current density [A. m -2 ] Current density [A. m -2 ]

10 Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung

11 Zelltypen Fuel cell Electrolyte Operating temperature fuel gas catalyst poisons AFC KOH solution C pure H 2 CO, CO 2 PEM Polymer membrane C pure H 2 CO > 10 ppm PAFC H 3 PO C H 2 CO > 0.5 %, H 2 S > 50 ppm MCFC molten alkaline carbonates SOFC solid oxide ceramics C 650 C H 2 /CO H 2 S > 0.5 ppm H 2 /CO (CH 4 ) H 2 S > 1.0 ppm Source: Larminie & Dicks, Fuel Cell Systems Explained, J. Wiley & Sons, 2000.

12 Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung

13 Proton Exchange Membrane (PEM) Brennstoffzelle (Aufbau) Anodenreaktion: H 2 2H + + 2e - Kathodenreaktion: ½O 2 + 2e - O 2- Summenreaktion: H 2 + ½ O 2 H 2 O

14 Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung

15 Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) Weiterentwicklung der H 2 - PEM-FC Flüssiger Einsatzbrennstoff CH 3 OH Anode: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e - Cathode: Overall reaction: (3/2)O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O CH 3 OH + (3/2)O 2 CO 2 + 2H 2 O

16 Diskussion DMFC Wasser wird auf der Anodenseite verbraucht wird durch H 2 O-Durchlässigkeit der Membran bereitgestellt Diffusion von Methanol durch die Membran (methanol crossover) wird durch neue Membrantechnologie gering gehalten Katalysatorvergiftung durch CO CO kann durch Zugabe von Gold oder Ruthenium am Kat oxidiert werden Methanol ist toxisch und hochentzündlich solche Eigenschaften sind bei Kraftstoffen typisch

17 Performance DMFC EFOY 1600 Verbrauch (EFOY) 0.9 Liter/kWh Stromausbeute (EFOY) 1.1 kwh/liter Energiedichte CH 3 OH 4.4 kwh/liter Wirkungsgrad EFOY 25.3 % Heizwert Methanol 19.7 MJ/kg entspricht theoretisch mit Wirkungsgrad 25% V V

18 DMFCs in der Anwendung

19 Zusammenfassung Brennstoffzellen haben derzeit schon Vorteile wenn Batterien/Akkus ersetzt werden Wirkungsgrade von kleinen DMFC liegen mit 25% noch unter denen klassischer verbrennungsbasierter Prozesse Eher ein Durchbruch im Kleinstleistungsbereich zu erwarten (Handy, Laptop, etc.) als große stationäre Anwendungen