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1 PEM-Brennstoffzelle PEM-FC? Proton Exchange Membrane Fuel Cell Polymermembran (Methanol)* (Methan)* Temperatur -8 C bis 25kW Wirkungsgrad 6% (H2) 4% (CH4) Anwendungen Stromversorgung Pkw/Bus Hausversorgung Blockheizkraftwerke CO-empfindlich Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird ein edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt, meistens handelt es sich hierbei um Platin. Ohne das Platin würden und Sauerstoff nicht miteinander reagieren. Erst eine Herabsetzung der Aktivierungsenergie, z.b. durch einen Funken, würde die Reaktion explosionsartig ablaufen lassen. Das ist eine Polymermembran, die nur Protonen durchlässt. Die Protonen und Elektronen entstehen an der Anode durch Oxidation von. Hierbei entsteht an der Anode ein Gleichgewicht zwischen adsorbierten - Molekülen und hydratisierten -Ionen. Die Protonen, also die H+-Ionen, wandern durch die Membran zur Kathode, an der die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser stattfindet. Die für die Reduktion nötigen Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis zur Kathode. Die hierbei stattfindende Aufladung der Elektroden bezeichnet man als Elektrodenpotential. Die bei der Reaktion zwischen den beiden Elektroden erzeugte Potentialdifferenz ist die treibende Kraft der Brennstoffzellenreaktion und lässt sich im äußeren Stromkreis in elektrische Arbeit umwandeln. Anode: 2H 2(g) 4H + + 4e - Kathode: O 2(g) + 4e - 2 O 2- Gesamtreaktion: 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (g)

2 Theoretisch lässt sich an einer PEM-Brennstoffzelle eine Ruhespannung von 1,23V messen. Diese ergibt sich aus den Standard-Elektrodenpotentialen. Allgemein gilt: U = U H (Kathionen) U H (Anionen) Daraus folgt für die PEM-Brennstoffzelle, die mit Sauerstoff und betrieben wird: U = U (Sauerstoff) U () = 1,23V V 1,23V. H H = Das Elektrodenpotential der halbzelle ist definitionsgemäß V. Daraus ergibt sich dann die theoretisch mögliche Spannung von 1,23V. In der Praxis wird diese Spannung aber nicht erreicht; man erreicht nur Spannungen zwischen,6 bis,9v. Dies ist auf Spannungsverluste, die z.b. durch Reaktionshemmungen oder ungenügende Gasdiffusion auftreten können Diese theoretisch frei werdende Spannung entspricht der Spannung, die man theoretisch mindestens bei der Elektrolyse von Wasser aufbringen muss. Aber auch bei einer Elektrolyse ist diese theoretische Spannung nicht ausreichend, da auch hier u.a. der ohmsche Widerstand des en zu überwinden ist und somit die Spannung höher sein muss. Die Brennstoffzelle kann je nach Typ und Brennstoff einen theoretischen Wirkungsgrad von 7% bis annähernd 1% erreichen. Da, wie eben schon erklärt, in der Praxis nicht die volle theoretische Spannung erreicht wird, liegt auch der tatsächliche Wirkungsgrad niedriger, zwischen 4% und 7%. Er entspricht dem Quotienten aus erreichter Spannung und theoretischer Spannung. Am Wirkungsgrad kann man das Verhältnis zwischen gewonnener und aufgewandter Energie ablesen. Um eine höheren Spannung und in folge dessen auch eine höhere zu erzielen, schließt man in der Praxis mehrere Brennstoffzellen in Serien- oder Parallelschaltung hintereinander. Die PEM-Brennstoffzelle ist in ihrer Handhabung sehr unkompliziert. Da sich die sabgabe mit großer Dynamik regeln läßt, ist die PEMFC besonders für den mobilen Einsatz und die dezentrale Energieversorgung geeignet. Prototypen von PKWs, Bussen und Kleintransportern befinden sich schon im Einsatz und werden im absehbarer Zukunft sicher für den Massenmarkt produziert werden können. A- ber auch Laptops mit Brennstoffzellenantrieb wurden schon entwickelt und befinden sich weiterhin in der Entwicklungsphase.

3 Solidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) SOFC? Solid Oxid Fuel Cell Zr(Y)O 2 Methan Kohlegas Temperatur 8-1 C 1-25 kw Wirkungsgrad 5-65% Anwendungen Hausversorgung Kleinkraftwerke Keine Reformierung von Brenngasen erforderlich Bei oxidkeramischen Brennstoffzellen wird ein keramischer Festelektrolyt, meist ytriumstbilisiertes Zirkonoxid (ZrO 2 /Y 2 O 3 ) verwendet. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Zellkonzepten, insbesondere zwischen dem Röhren- und dem Flachzellenkonzept (planare Anordnung). Durch die interne Reformierung können im Prinzip verschiedene Brenngase eingesetz werden. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur von ca. 1 C sind auch CO-haltige Brenngasgemische möglich. SOFC-Anlagen haben ein hohes Wirkungsgradpotential. Der Wirkungsgrad kann noch gesteigert werden, indem man neben dem atmosphärischen einen druckgeladenen Betrieb ermöglicht. Die SOFC ist der momentan am wenigsten entwickelte Brennstoffzellentyp. Das Hauptanwendungsgebiet liegt bei der Energieerzeugung in Kraftwerken sowie bei der in Nutzung im Bereich Kraft-Wärme-Kopplung, als in Blockheizkraftwerken. Daneben werden Großkraftwerke auf Basis der SOFC entwickelt. Hier wird die Abwärme zur Stromerzeugung in Gasturbinen genutzt. In Fahrzeugbereich findet die SOFC auch Anwendung, jedoch nicht zum Fahrzeugantrieb. Vielmehr soll sie die Fahrzeugbatterie ersetzen. So sieht man den Vorteil, auch über längere Zeit bei abgeschalteten Motor Strom zur Verfügung zu haben. Als Betriebsmittel dient hier Benzin, das durch einen einfachen Reformer zur Brennstoffzelle geführt wird.

4 Die phosphorsaure Brennstoffzelle PAFC? Phosphor Acid Fuel Cell konz. H 3 PO 4 (Methan)* Temperatur C 11 MW Wirkungsgrad 4% Anwendungen Blockheizkraftwerke Kleinkraftwerke schwach CO-empfindlich Dieser Brennstoffzellentyp trägt seinen Namen aufgrund seines en: konzentrierte, nahezu wasserfreie Phosphorsäure H 2 PO 4. Sie arbeitet bei einer Betriebstemperatur von ca. 2 C und gehört damit zu den Mitteltemperatur- Brennstoffzellen. Der Einsatz einer Säure als erlaubt dei Verwendung von CO2-haltigen Gasen, da das Kohlendioxid nicht mit der Säure reagiert. Somit können auch (flüssige) Kohlenwasserstoffe als Brenngase eingesetzt werden. Die PAFC wird meist mit aus reformiertem Erdgas und Luftsauerstoff betrieben. Die Phosphorsäure wird nicht wie bei der AFC als Flüssigkeit durch die Zelle gepumpt, sondern sie wird in einem porösen Kunststoffvlies aufgesaugt und so zwischen die Elektroden gebracht. Als Elektroden dienen kunststoffgebundene Kohlematerialien, die mit katalytisch aktiven Edelmetallparktikeln (Gold, Platin) belegt sind. Der Wirkungsgrad der PAFC ist nicht herausragend, trotzdem hat sie den vergleichsweise höchsten Entwicklungsstand erreicht. Aus technischer und kommerzieller Sicht ist die PAFC für stationäre Anwendungen zur Strom- und Wärmeerzeugung am besten geeignet. Im Angebot befinden sich Anlagen im 2kW- sowie im MW-Bereich. PAFC-Anlagen werden zur Zeit in nennenswerter Stückzahl produziert und installiert. Die Verfügbarkeit der Anlagen liegt nach Praxiserfahrungen um die 87%, wobei Stillstandszeiten aufgrund von Umbauten oder Instandhaltung eingerechnet sind. Diese Erfahrungen beziehen sich auf einen Zeitraum von ca. 3 Laststunden.

5 Die Carbonatschmelz-Zelle MCFC? Molton Carbonat Fuel Cell Alkalikarbonatschmelzen Methan Kohlegas Temperatur 65 C 2,2 MW Wirkungsgrad 48-6 % Anwendungen Blockheizkraftwerke Kleinkraftwerke CO2 muß im Kreislauf der Zelle geführt werden Dieser Brennstoffzellentyp trägt seinen Namen aufgrund seines en: geschmolzene Karbonate. Meistens finden Alkalikabonate wie Litiumcarbonat (Li 2 CO 3 )und Kaliumcarbonat (K 2 O 3 ) Verwendung. Während z.b. bei der PEM-FC von der Anode H + -Ionen zur Kathode wandern und dort mit O 2- -Ionen zu Wasser reagieren, verläuft die Reaktion bei der MCFC sozusagen anders herum. Ionen wandern von der Kathode zur Anode. Durch Zuführung von CO 2 an die Kathode reagieren die Sauerstoff-Ionen zu Carbonat-Ionen. O 2- + CO 2 => CO 3 2- Die negativ geladenen Carbonat-Ionen wandern nun durch den en zur Anode, wo sie mit jeweils zwei H + -Ionen zu Kohlensäure (H 2 CO 3 ) reagieren, die gleich zu Wasser und Kohlendioxid zerfällt. Damit der Karbonat-Kreislauf erhalten bleibt, muß das entstandene Kohlendioxid in den Luftstrom, der zur Kathode führt, beigemischt werden. Die Carbonatschmelz-Brennstoffzelle eigent sich aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur von 65 C besonders für Blockheiz- und evtl. auch für Großkraftwerke, die mit Erd- bzw. Kohlegas betrieben werden. In Testanlagen hat man bisher eine von ca. 2MW erreicht.

6 Die Directmethanol-Brennstoffzelle DMFC? Direct Methanol Fuel Cell Polymermembran Methanol Temperatur 6-13 C Stand Wirkungsgrad 4% Entwicklung Vielversprechend da H 2 -Erzeugung entfallen kann Auch die DMFC arbeitet bei Betriebstemperaturen um 1 C. Sie ist eine Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzelle und ist ebenfalls mit einer Kunststoffmembran als Elektroylt ausgestattet. Während die PEMFC mit als Anodengas betrieben wird, kommt hier flüssiges Methanol bzw. Methanoldampf zum Einsatz. Die DMFC wandelt das flüssige Methanol an dem en direkt in Protonen, freie E- lektronen und Kohlendioxid (CO2) um. Prinzipiell kann man sowohl einen alkalischen als auch einen sauren en verwenden. Die beiden Reaktionswege führen zu folgenden thermodynamischen Spannungen: Sauer: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO H 2 O E ;25 C=1,185 V Alkalisch: CH 3 OH + 3/2 O 2 + 2OH- =>CO H 2 O E ;25 C=1,252 V Zur Zeit ist man noch damit beschäftigt, eine höhere Stabilität der Katalysatoren und eine bessere Zuverlässigkeit der Membran zu erreichen. Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle stellt eine Alternative zur PEM-Brennstoffzelle dar. Vor allem im mobilen Einsatz zeigen sich Vorteile des Brennstoffs Methanol. Vorhandene Betankungsanlagen müssten nicht aufwendig umgebaut werden um Methanol zu speichern, wie es bei gas nötig wäre. Da zusätzlich die Brennstoffverdampfung entfällt und auch eine Befeuchtung der Zelle unnötig wird, scheint es nicht irgendeine, sondern die Alternative zu sein. Hierfür sind jedoch noch Weiterentwicklungen in Bezug auf die Lebensdauer und die Energiedichte nötig.

7 Die alkalische Brennstoffzelle AFC? Alkaline Fuel Cell Kalilauge (KOH) reinster Temperatur 6-9 C 2 kw Wirkungsgrad 6 % Anwendungen Raumfahrt U-Boote CO2-empfindlich Mit einer Betriebstemperatur von 1 C ist die FC eine Niedertemperatur- Brennstoffzelle. Damit die Reaktionsgeschwindigkeit ausreichend ist, ist der Einsatz von Katalysatoren unabdingbar. Als der alkalischen Brennstoffzelle dient eine 3%ige Kalilauge (KOH), die durch die Zelle gepumpt wird. Der kann durch Kohlendioxid nach der folgenden Reaktion zersetzt werden: OH - + CO2 => CO H + Die Verwendung von reinsten Brenngasen wie elementarem Wasser- bzw. Sauerstoff ist somit Voraussetzung für den Berieb einer AFC. Selbst ein Betrieb mit Luft ist nicht möglich, da auch hier kleinste Anteile CO 2 enthalten sind. Durch die erforderliche Gasreinheit kommt die alkalische Brennstoffzelle meist nur in Spezialanwendungen zum Einsatz. Ein Anwendungsbeispiel für die AFC ist das Brennstoffzellen-Boot Hydra. Die Deutsche Marine hat AFCs in U-Booten verwendet. In der Raumfahrt wurde die AFC in Raketen und im Space Shuttle eingesetzt. In den 6er Jahren wurde sie aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades zur technischen Reife entwickelt. Die Kosten für die Herstellung und die reinen Brenngase stehen der Verwendung für zivile Anwendungen jedoch im Weg. Die Marine und auch die NASA setzten mittlerweile verstärkt auf die PEMFC. Durch Senkung der Kosten muß ein Energieträger gefunden werden, über den schnell und mit wenig Aufwand hergestellt werden kann. Hier käme z.b. Ammoniak (NH 3 ) in Betracht.