Die Wirkungsweise einer Brennstoffzelle. Ein Vortrag von Bernard Brickwedde

Transkript

1 Die Wirkungsweise einer Brennstoffzelle Ein Vortrag von Bernard Brickwedde

2 Inhalt Allgemein Definition Geschichte Anwendungsgebiete Aufbau Theoretische Grundlagen Redoxreaktion Wirkungsgrad Elektrochemische Reihe Reaktionsablauf Entwicklungen Fazit [B1]

3 Die Brennstoffzelle Hoher Wirkungsgrad Technologie Wirkungsgrad Brennstoffzelle % Diesel-Motor % Otto-Motor % Saubere Technologie, einziges Endprodukt ist H 2 O

4 Geschichte der Brennstoffzelle Entwickelt bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein Umkehr der Elektrolyse Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern. [B2] Jules Verne, 1870

5 Geschichte der Brennstoffzelle Entwickelt bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein Umkehr der Elektrolyse Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern. [B2] Jules Verne, 1870 Entwicklung des elektrischen Generators 1887 Erster Einsatz erst 1960 in der amerikanischen Raumfahrt

6 Anwendungsgebiete Stationär Stromversorgung Heizanlage [B3] Mobil Straßenverkehr Luft- und Raumfahrt [B4] Schifffahrt [B5]

7 Aufbau einer Brennstoffzelle Zwei Halbzellen mit je einer platinbeschichteten Elektrode Trennung der Zellen durch Elektrolyt zur Kontrolle der Reaktion Struktur des Elektrolyt lässt nur Protonen passieren Abgreifen der frei gewordenen Spannung an den Elektroden

8 Theoretische Grundlagen Grundlage ist Redoxreaktion Oxidation: Abgabe von Elektronen Reduktion: Aufnahme von Elektronen Bestimmung der erzeugten Spannung an Elektrochemischer Spannungsreihe Auflistung von Redox-Paaren nach Potential Aussage über Ablauf der Reaktion möglich Werte experimentell bestimmt Element im Redoxpaar Fluor Gold Chrom Sauerstoff Kupfer Zinn Wasserstoff Cobalt Aluminium Titan Beryllium Natrium Lithium Potential +2,87 V +1,69 V +1,33 V +1,23 V +0,35 V +0,15 V ±0,00 V 0,26 V 1,66 V 1,77 V 1,85 V 2,76 V 3,05 V

9 Wirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad η ges abhängig von drei Wirkungsgraden Thermischer Wirkungsgrad η therm η therm = 1 T ΔS ΔH ΔS: Entropie-Änderung ΔH: Enthalpie-Änderung Elektrischer Wirkungsgrad η elek η elek = U E Umsatz Wirkungsgrad η U Anteil des umgesetzten zum zugeführten Wasserstoff η ges = η therm η elek η U

10 Wirkungsgrad Wirkungsgrad ist von Temperatur abhängig. Quelle: Umweltschonende Energietechnik von Nikolai V. Khartchenko

11 Zuführen von H 2 und O 2 Reaktionsablauf

12 Reaktionsablauf Zuführen von H 2 und O 2 Aufspaltung der H 2 -Moleküle in 2 H-Atome. Platin dient als Katalysator [B6]

13 Reaktionsablauf Zuführen von H 2 und O 2 Aufspaltung der H 2 -Moleküle in 2 H-Atome. Platin dient als Katalysator Oxidation der H-Atome, Separation von Proton und Elektron

14 Reaktionsablauf Zuführen von H 2 und O 2 Aufspaltung der H 2 -Moleküle in 2 H-Atome. Platin dient als Katalysator Oxidation der H-Atome, Separation von Proton und Elektron Proton wandert durch die Membran, Elektron bleibt im Pool der Anode Halbzellenreaktion: H 2 2 H e

15 Reaktionsablauf Reduktion, Aufnahme der Elektronen aus Halbzellenreaktion 1 Reaktion der Protonen mit O 2 an der Kathode Halbzellenreaktion: O H e 2 H 2 O Gesamtreaktion: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Reaktion erzeugt 1,23 V Spannung

16 Brennstoffzellen-Stacks Erzeugte Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle sehr niedrig Für Betrieb größerer Maschinen werden viele Brennstoffzellen benötigt Verbund zu einem Stack. Reihenschaltung der Einzelelemente [B7] [B8]

17 Verschiedene Arten der Brennstoffzelle Bezeichnung Anode Kathode Elektrolyt Leistung [kw] Polymerelektrolyt Brennstoffzelle Alkalische Brennstoffzelle Phosphorsäure Brennstoffzelle Schmelzkarbonat Brennstoffzelle H 2 O 2 Polymer Membran Temperatur [ C] Wirkungsgrad [%] H 2 O 2 Kalilauge < H 2 O 2 H 3 PO H 2 O 2 Alkali Carbonat Hohe Leistungen benötigen hohe Temperaturen Für den mobilen Einsatz teilweise nicht geeignet Quelle:

18 Fazit Vorteile Hoher elektrischer Wirkungsgrad von 60 % Mit Nutzung der Abwärme Wirkungsgrad von über 80 % Keine Schadstoffemission, einziges Endprodukt ist H 2 O Nachteile Hohe Produktionskosten Hohe Treibstoffkosten Brennstoffzellen sind eine zukunftsweisende und saubere Technik, mit der unabhängig von fossilen Brennstoffen Strom erzeugt werden kann. Allerdings benötigt es noch einige Verbesserungen und Zeit bis zur Serienreife.

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

20 Referenzen [1] Umweltschonende Energietechnik von Nikolai V. Khartchenko [2] Handbook of Chemistry and Physics [3] [4] [5] [6] [7]

21 Bilder Einführung [B1] Geschichte [B2] Anwendungsgebiete [B3] [B4] [B5] icsfiles/artimage/2008/02/26/ce_pd_ke_re/urashima.jpg Theoretische Grundlagen [B6] Exothermic_reaction_%28German%29.svg.png Stacks [B7] h_tec/brennstoffzellen_funktion_anwendung/images/stack.png [B8]