Nanotechnologie in der Brennstoffzelle

Transkript

1 Nanotechnologie in der Brennstoffzelle Vortrag zur Vorlesung Nanostrukturphysik WS 10/11 Nicolas Jäckel 1

2 Übersicht Wie Funktioniert eine Brennstoffzelle? Arten von Brennstoffzellen Nanotechnologische Verbesserung: µ-sofc PEMFC Platin als Katalysator Blick in die Zukunft 2

3 Generelle Funktionsweise Theoretisch mögliche Spannung: 1,23V Real aber nur 0,5-0,9V wegen Verlusten im Elektrolyt und an den Elektroden 3

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5 Limits Bereitstellung von Ionen an der Anode Reduktion an der Kathode Elektronenaustausch: ohmsche Verluste An- und Abtransport der Reaktanten Ionentransport durch die Membran langsamster Prozess bestimmt Gesamtergebnis 5

6 Arten von Brennstoffzellen PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) Elektrolyt: konz. Phosphorsäure Mobiles Ion: H 3 O+ Anodengas: Wasserstoff Temperatur: C Wirkungsgrad: bis 40% Leistung: < 10MW Besondeheirt: schwach CO 2 -empfindlich 6

7 MCFC (Molton Carbonat Fuel Cell) Elektrolyt: Alkalicarbonatschmelzen Mobiles Ion: CO 3 2- Anodengas: Wasserstoff (auch aus Methanol) Temperatur: 650 C Wirkungsgrad: bis 60% Leistung: < 10MW Besonderheit: CO 2 muss zugeführt werden (Reformierung nötig) 7

8 AFC (Alkaline Fuel Cell) Elektrolyt: Kalilauge (KOH) Mobiles Ion: OH - Anodengas: Wasserstoff (rein) Temperatur: C Wirkungsgrad: bis 60% Leistung: > 100kW Besonderheit: CO 2 empfindlich 8

9 DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Elektrolyt: Polymermembran Mobiles Ion: H + Anodengas: Methanol Temperatur: C Wirkungsgrad: bis 40% Leistung: < 100kW Besonderheit: kein reines H 2 benötigt 9

10 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Elektrolyt: Polymermembran (Nafion) Mobiles Ion: H + Anodengas: Wasserstoff (auch aus Methanol) Temperatur: C Wirkungsgrad: % Leistung: > 250kW Besonderheit: CO empfindlich 10

11 SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) Elektrolyt: Zr(Y)O 2, YSZ Mobiles Ion: O 2- Anodengas: Wasserstoff (auch aus Methanol) Temperatur: C, bei µsofc ca. 400 C Wirkungsgrad: 50 % Leistung: > 100MW Besonderheit: Luft an der Kathode 11

12 Übersicht Zelltypen 12

13 Nanotechnologische Verbesserungen 13

14 µsofc 14

15 µ-sofc Steigerung der Leistungsdichte Momentan mw/cm 2 bei C Nur reiner Wasserstoff verwendet Membran meist YSZ Evtl. 3d-Struktur zur Oberflächenvergrößerung Mehr Gasfluss Größere Thermische Ausdehnung Stromfluß niedriger wegen porösem Platin Ausdehnungskoeffizienten beachten Temperaturen zu hoch für mobile Kleingeräte Große Vielfalt möglich wegen Erfahrung in MST 15

16 PEMFC Große Oberfläche des Katalysators Pt-Cluster auf Graphitsubstrat Nafion PEM Porengröße: nm Max. Leistung bei C 50 % Leistung bei Raumtemperatur 16

17 Verbesserung des Kat mit SWNT Röhrendurchmesser zu klein für andere Gase Sehr schneller Elektronentransport Mechanische Stabilität Quanteneffekte nutzbar Bisher nur Theorie 17

18 Platin Chemisch sehr resistent Gute Elektronenleitung, guter Katalysator Sehr teuer: ca. 60% der Gesamtkosten einer FC Mischung mit anderen Metallen bewirkt bessere Eigenschaften: Spez. Massenreduzierung mit Pt/C- verbindung Komplexe Verbiegung der d-bänder im Pt Alloy Problem: Pt nicht immer direkt auf unedlem Metall abscheidbar 18

19 Platin Hoher Integrationsgrad Verhältnis Pt-M 3:1 Pt-Monolage nicht direkt Abscheidbar Hohe Anisotropie Reinste Targets Auch PtM/C möglich Abstandsabhängig 19

20 ohne Platin Integriert: Pt-YSZ kleiner 500 Ohm/cm^2 Bis 50nm über Spin-Coating Lanthan Strontium Cobalt (Eisen) Oxid: LS(F)C Anisotrop wegen Polarisation Bis 200 nm Schichtdicke 0,13-0,15 Ohm/cm^2 Barium Strontium Cobalt Eisen Oxid: BSFC Weniger stark polarisiert Porös: 0,5 Ohm/cm^2 20

21 Blick in die Zukunft Vorteile: keine CO-Emission hohe Energiedichte große Leistung sehr leise billig Portable Anwendung Nachteile: H2 Speicherung Seltene Erden Leistungsverlust sehr groß Materialkosten keine Akzeptanz 21

22 Aktuell kw Agregat Davon 85 kw für Antrieb km/h in knapp 14 s 700 bar Ladedruck in H 2 -Tank Entspricht ca. 4 kg H 2 Gewicht des Tanks: 300kg Reichweite bis 400 km Real eher um 250 km Ladezeit: 25 min Testverbrauch: 1,09-1,31kg/100km Drehmoment: 250 Nm Maximalgeschw. 140km/h [1] Brennstoffzelle: Ballad Mark902 1: blog.mercedes-benz-passion.com F-Cell World Drive 22

23 Vorhersagen Laut Spinverse C&C Großflächiger Einsatz in 5-10 Jahren nur mit nanotechnologischen Verbesserungen 2013: Einheiten (2009: ) Marktvolumen: 2-3 Mrd US$ 2018: 98% aller FC für tragbare Zwecke 1 enspricht ca. 10 Mio. Einheiten Absatzmärkte: USA, Westeuropa, Kanada, Japan Deutschland mit 38% größter Markt 2 1 World Fuel Cell Report 2009; 2 von Europa 23

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25 Quellen Journal of Power Sources pp (anno 2009) Chemical Society Reviews: Nanostructured PT-alloy electrocatalysts for PEM fuel cell oxygen reduction reaction (anno ) Journal of Optoelectronics and Advanced Materials: Vol. 5 pp (anno 2003) Energy Sector Economic Report: Nanotechnology for Fuel Cells Spinverse Oy (anno April 2010) de.wikipedia.org/wiki/brennstoffzelle de.wikipedia.org/wiki/festoxidbrennstoffzelle de.wikipedia.org/wiki/pemfc