Die Brennstoffzelle. Von: Ismail Nasser

Transkript

1 Die Brennstoffzelle

2 Gliederung Was ist eine Brennstoffzelle? Geschichte der Brennstoffzelle Aufbau und Funktionsweise der Brennstoffzelle Unterschiedliche Arten Gesamtwirkungsgrad Kosten

3 Was ist eine Brennstoffzelle? 1

4 Was ist eine Brennstoffzelle? 2 Textmasterformate durch Klicken Konkurrenz zu bisherigen Methoden Brennstoffzelle (BSZ) 4

5 Was ist eine Brennstoffzelle? 3 Textmasterformate durch Klicken ähnlich Aber: Der BSZ muss kontinuierlich Brennstoff hinzugefügt werden 5

6 Geschichte der Brennstoffzelle Johann wilhelm Ritter entdeckt die Textmasterformate Elektrolyse durch Klicken 1839 Sir William Grove kehrt den Ritterschen Versuch um Geburtsstunde der BSZ 6

7 Geschichte der Brennstoffzelle 5 Aber: Brennstoffzelle war technologisch seiner Zeit weit vorraus Textmasterformate Elektrochemie = komplex durch Klicken Platin sehr teuer Werner von Siemens zur gleichen Zeit erfand er das Dynamo unkompliziert preisgünstig 7

8 Geschichte der Brennstoffzelle 6 Weiteres Problem: Textmasterformate durch Klicken herstellung Viel zu viele Probleme BSZ war es nicht wert weiter erforscht zu werden 1967 Erfindung des Otto-Motor 8

9 Geschichte der Brennstoffzelle 7 Mit der Zeit bessere Konzepte für: Textmasterformate durch Klicken Günstigere Platinherstellung herstellung Erst: Jedoch kein Durchbruch 1958 Gründung der NASA 9

10 Geschichte der Brennstoffzelle 8 Raumkapsel sollte mit Strom versorgt werden Textmasterformate durch Klicken Atomreaktoren zu risikoreich Solarenergie zu leistungsarm Batterie groß, schwer und kurze Lebensdauer Lösung = BSZ Jedoch für Erde unpraktikabel 10

11 Geschichte der Brennstoffzelle 9 Klimaerwärmung & endlichkeit der Rohstoffe Textmasterformate durch Klicken weiterentwicklung der BSZ (1994 DaimlerCrysler NECAR) (1999 erste -tankstelle) 11

12 Aufbau und Funktionsweise 10 Aufbau der BSZ Sehr einfacher Aufbau Textmasterformate durch Klicken aufgebaut wie ein Sandwich (3 Lagen) Äußere Schicht = Elektroden (Anode & Kathode) In der Mitte = Elektrolyt Elektrolyt Dritte = wichtig Ebene Lässt Ionen durch undurchlässig für Elektronen 12

13 Aufbau und Funktionsweise 11 Funktionsweise Anode & Kathode Katalysator-schicht (Platin) Textmasterformate durch Klicken Elektrolyt = durchlässig für bestimmte Ionen (abhängig vom Elektrolyt) Zweite (Heute) 6 verschieden Ebene Arten von BSZ Fast gleiche Funktionsweise: Anode Dritte Brennstoff Ebene () Kathode Sauerstoff (Luft) Kat Vierte (Anode) spaltet Ebene H2 Elektronen + H2 Ion Elektrolyt Fünfte Ionendurchlässig Ebene Elektronen äußerer Leiter Stromfluss O2 oxidiert ( braucht Elektronen) Neg. Sauerstoff Ionen Neg. Sauerstoff Ionen + Ionen Wasser 13

14 Aufbau und Funktionsweise 12 Haben gesehen: Textmasterformate durch Klicken BSZ direkte Umwandlung von Chem. in El. Energie 2.Hauptsatz der Thermodynamik gilt hier nicht d.h theoretisch ηbsz 70 % bis annähernd 100 % Praxis jedoch ηbsz % 14

15 Unterschiedliche Arten 13 Zur Zeit: Textmasterformate 6 Unterschiedliche Arten: durch Klicken 1) Alkalische BSZ (AFC) 2) Polymer Elektrolyt Membran BSZ (PEMFC) 3) Direkt Methanol BSZ (DMFC) 4) Phosphorsaure BSZ (PAFC) 5) Karbonat-Schmelzen BSZ (MCFC) 6) Oxid-Keramische BSZ (SOFC) Unterteilung: Fünfte Niedertemperatur Ebene BSZ Hochtemperatur BSZ 15

16 AFC PEFC DMFC PAFC MCFC SOFC Elektrolyt Aggregat zustand Alkalilauge Polymer membran Polymer membran Konzentrierte Phosphorsäure Alkalikarbonat schmelze Yttriumdotiertes Zirkondioxid 14 Anodengas reinster Methanol Methanol 1 Methan 1 Methan Methan Methan 1 Kohlegas Kohlegas Transportierte Ionen OH - O 2- O 2- Betriebs temperatur C bis 80 C C C bis 650 C C Zellen wirkungsgrad 58% 40% 50% 65% System wirkungsgrad 32-40% 20-30% 40% 52-54% 35-55% 80%² 70%³ Leistung kw 0, kw 1 mw kw 50 kw - 11MW 250 kw - 2 MW kw Anwendung Raumfahrt, U- Boot Stromversorgun g PKW Blockheiz kraftwerke Blockheiz kraftwerke Hausversorgung Nischen fahrzeuge Fahrzeugantrieb e portable Geräte Hausversorgung Schiffsantriebe Fahrzeugbatterie Blockheizkraftwe rke portable Geräte Zusatz CO 2 empfindlich CO empfindlich schwach CO emfindlich CO2 muss im Kreislauf keine Reformierung von der Zelle geführt werden Brenngasen erforderlich 1 wird über Reformer erzeugt ² / ³ mit nachgeschalteter Dampfturbine (und zusätzlicher Wärmeauskupplung)

17 AFC PEFC DMFC PAFC MCFC SOFC Elektrolyt Aggregat zustand Alkalilauge Polymer membran Polymer membran Konzentrierte Phosphorsäure Alkalikarbonat schmelze Yttriumdotiertes Zirkondioxid 15 Anodengas reinster Methanol Methanol 1 Methan 1 Methan Methan Methan 1 Kohlegas Kohlegas Transportierte Ionen OH - O 2- O 2- Betriebs temperatur C bis 80 C C C bis 650 C C Zellen wirkungsgrad 58% 40% 50% 65% System wirkungsgrad 32-40% 20-30% 40% 52-54% 35-55% 80%² 70%³ Leistung kw 0, kw 1 mw kw 50 kw - 11MW 250 kw - 2 MW kw Anwendung Raumfahrt, U- Boot Stromversorgun g PKW Blockheiz kraftwerke Blockheiz kraftwerke Hausversorgung Nischen fahrzeuge Fahrzeugantrieb e portable Geräte Hausversorgung Schiffsantriebe Fahrzeugbatterie Blockheizkraftwe rke portable Geräte Zusatz CO 2 empfindlich CO empfindlich schwach CO emfindlich CO2 muss im Kreislauf keine Reformierung von der Zelle geführt werden Brenngasen erforderlich 1 wird über Reformer erzeugt ² / ³ mit nachgeschalteter Dampfturbine (und zusätzlicher Wärmeauskupplung)

18 AFC PEFC DMFC PAFC MCFC SOFC Elektrolyt Aggregat zustand Alkalilauge Polymer membran Polymer membran Konzentrierte Phosphorsäure Alkalikarbonat schmelze Yttriumdotiertes Zirkondioxid 16 Anodengas reinster Methanol Methanol 1 Methan 1 Methan Methan Methan 1 Kohlegas Kohlegas Transportierte Ionen OH - O 2- O 2- Betriebs temperatur C bis 80 C C C bis 650 C C Zellen wirkungsgrad 58% 40% 50% 65% System wirkungsgrad 32-40% 20-30% 40% 52-54% 35-55% 80%² 70%³ Leistung kw 0, kw 1 mw kw 50 kw - 11MW 250 kw - 2 MW kw Anwendung Raumfahrt, U- Boot Stromversorgun g PKW Blockheiz kraftwerke Blockheiz kraftwerke Hausversorgung Nischen fahrzeuge Fahrzeugantrieb e portable Geräte Hausversorgung Schiffsantriebe Fahrzeugbatterie Blockheizkraftwe rke portable Geräte Zusatz CO 2 empfindlich CO empfindlich schwach CO emfindlich CO2 muss im Kreislauf keine Reformierung von der Zelle geführt werden Brenngasen erforderlich 1 wird über Reformer erzeugt ² / ³ mit nachgeschalteter Dampfturbine (und zusätzlicher Wärmeauskupplung)

19 AFC PEFC DMFC PAFC MCFC SOFC Elektrolyt Aggregat zustand Alkalilauge Polymer membran Polymer membran Konzentrierte Phosphorsäure Alkalikarbonat schmelze Yttriumdotiertes Zirkondioxid 17 Anodengas reinster Methanol Methanol 1 Methan 1 Methan Methan Methan 1 Kohlegas Kohlegas Transportierte Ionen OH - O 2- O 2- Betriebs temperatur C bis 80 C C C bis 650 C C Zellen wirkungsgrad 58% 40% 50% 65% System wirkungsgrad 32-40% 20-30% 40% 52-54% 35-55% 80%² 70%³ Leistung kw 0, kw 1 mw kw 50 kw - 11MW 250 kw - 2 MW kw Anwendung Raumfahrt, U- Boot Stromversorgun g PKW Blockheiz kraftwerke Blockheiz kraftwerke Hausversorgung Nischen fahrzeuge Fahrzeugantrieb e portable Geräte Hausversorgung Schiffsantriebe Fahrzeugbatterie Blockheizkraftwe rke portable Geräte Zusatz CO 2 empfindlich CO empfindlich schwach CO emfindlich CO2 muss im Kreislauf keine Reformierung von der Zelle geführt werden Brenngasen erforderlich 1 wird über Reformer erzeugt ² / ³ mit nachgeschalteter Dampfturbine (und zusätzlicher Wärmeauskupplung)

20 Elektrolyt Aggregat zustand Anodengas Transportierte Ionen Betriebs temperatur Zellen wirkungsgrad System wirkungsgrad Leistung Anwendung Zusatz AFC Alkalilauge reinster kw Raumfahrt, U- Boot Nischen fahrzeuge CO 2 empfindlich PEFC Polymer membran Methanol 1 58% 32-40% 0, kw Stromversorgun g Fahrzeugantrieb e Hausversorgung Blockheizkraftwe rke portable Geräte CO empfindlich DMFC Polymer membran Methanol C bis 80 C C C bis 650 C Funktionsweise = PEMFC 40% 20-30% 1 mw kw PKW portable Geräte PAFC Konzentrierte Phosphorsäure Methan 1 Methan 1 Kohlegas H Bis H auf Elektrolyt + + OH - O 2-50% 40% 50 kw - 11MW Blockheiz kraftwerke schwach CO emfindlich MCFC Alkalikarbonat schmelze Methan 52-54% 80%² 250 kw - 2 MW Blockheiz kraftwerke Schiffsantriebe CO2 muss im Kreislauf der Zelle geführt werden SOFC Yttriumdotiertes Zirkondioxid Methan Kohlegas O C 65% 35-55% 70%³ kw Hausversorgung 18 Fahrzeugbatterie keine Reformierung von Brenngasen erforderlich 1 wird über Reformer erzeugt ² / ³ mit nachgeschalteter Dampfturbine (und zusätzlicher Wärmeauskupplung)

21 AFC PEFC DMFC PAFC MCFC SOFC Elektrolyt Aggregat zustand Alkalilauge Polymer membran Polymer membran Konzentrierte Phosphorsäure Alkalikarbonat schmelze Yttriumdotiertes Zirkondioxid 19 Anodengas reinster Methanol Methanol 1 Methan 1 Methan Methan Methan 1 Kohlegas Kohlegas Transportierte Ionen OH - O 2- O 2- Betriebs temperatur C bis 80 C C C bis 650 C C Zellen wirkungsgrad 58% 40% 50% 65% System wirkungsgrad 32-40% 20-30% 40% 52-54% 35-55% 80%² 70%³ Leistung kw 0, kw 1 mw kw 50 kw - 11MW 250 kw - 2 MW kw Anwendung Raumfahrt, U- Boot Stromversorgun g PKW Blockheiz kraftwerke Blockheiz kraftwerke Hausversorgung Nischen fahrzeuge Fahrzeugantrieb e portable Geräte Hausversorgung Schiffsantriebe Fahrzeugbatterie Blockheizkraftwe rke portable Geräte Zusatz CO 2 empfindlich CO empfindlich schwach CO emfindlich CO2 muss im Kreislauf keine Reformierung von der Zelle geführt werden Brenngasen erforderlich 1 wird über Reformer erzeugt ² / ³ mit nachgeschalteter Dampfturbine (und zusätzlicher Wärmeauskupplung)

22 AFC PEFC DMFC PAFC MCFC SOFC Elektrolyt Aggregat zustand Alkalilauge Polymer membran Polymer membran Konzentrierte Phosphorsäure Alkalikarbonat schmelze Yttriumdotiertes Zirkondioxid 20 Anodengas reinster Methanol Methanol 1 Methan 1 Methan Methan Methan 1 Kohlegas Kohlegas Transportierte Ionen OH - O 2- O 2- Betriebs temperatur C bis 80 C C C bis 650 C C Zellen wirkungsgrad 58% 40% 50% 65% System wirkungsgrad 32-40% 20-30% 40% 52-54% 35-55% 80%² 70%³ Leistung kw 0, kw 1 mw kw 50 kw - 11MW 250 kw - 2 MW kw Anwendung Raumfahrt, U- Boot Stromversorgun g PKW Blockheiz kraftwerke Blockheiz kraftwerke Hausversorgung Nischen fahrzeuge Fahrzeugantrieb e portable Geräte Hausversorgung Schiffsantriebe Fahrzeugbatterie Blockheizkraftwe rke portable Geräte Zusatz CO 2 empfindlich CO empfindlich schwach CO emfindlich CO2 muss im Kreislauf keine Reformierung von der Zelle geführt werden Brenngasen erforderlich 1 wird über Reformer erzeugt ² / ³ mit nachgeschalteter Dampfturbine (und zusätzlicher Wärmeauskupplung)

23 Gesamtwirkungsgrad 21 BSZ hoher Wirkungsgrad Textmasterformate durch Klicken ABER: BSZ benötigt immer in Verbindung mit anderen Elementen d.h.: muss hergestellt werden z.b.: Elektrolyse man braucht Elektrische Energie Gesamtwirkungsgrad muss betrachtet werden 23

24 Gesamtwirkungsgrad 22 Betrachte: Textmasterformate durch Klicken WELL to WHEEL Analyse ( Bohrloch zum Rad Wirkungsgrad) 24

25 Gesamtwirkungsgrad 23 Textmasterformate durch Klicken 25

26 Gesamtwirkungsgrad 24 Textmasterformate durch Klicken 26

27 Gesamtwirkungsgrad 25 Textmasterformate Greenpeace durch Klicken gegen BSZ! Angeblich zwei Mal so hoher Energieverbrauch durch Elektrolyse Sogar mit erneuerbarer Energie wie Solar, Wind.. 27

28 Gesamtwirkungsgrad 26 Textmasterformate Zusammenfassung: durch Klicken Kraftstoffverbrauch durch Hybridmotoren verringert (bei allen Systemen) Reduzierte Treibhausgase bei BZF mit reformiertem Erdgas BZF haben Potenzial Treibhausgase nahezu vollständig zu reduzieren (von art der herstellung abhängig) BZF mit Methanol keine Vorteile gegenüber Benzinfahrzeuge 28

29 Kosten 27 Was Textmasterformate kostet eine BSZ? durch Klicken Stack 50 Einzelzellen Jeder Stack besteht aus mehreren Bauteilen: 29

30 Kosten 28 Membran Elektroden Einheit (MEA) 6000 Textmasterformate Katalysator (Platin) durch 194 Klicken Mebmran 356 Gasdiffusionslagen 600 Bipolarplatten 7400 Dichtungen 1000 Endplatten & Stromsammler 2600 Materialbeschaffung & Montage 1200 GESAMT

31 Quellen 29 Textmasterformate Quellen durch Klicken