LAWEZ_1.PPT

Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V.Helmholtzstr. 6, D-89081 Ulm 0731-17589-0info@wbzu.de, www.wbzu.de

VortragBrennstoffzellen-Grundlagen

Aufbau und Funktion

Peter Pioch (WBZU),Peter Pioch (WBZU), Thomas Aigle (WBZU), Ludwig Jrissen (ZSW), ,

Basisseminar

Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie

am 24. Januar 2008 am WBZU in Ulm

Folie 1, WBZU

Inhalt

Grundlagen der BrennstoffzellentechnologieEinfhrung und berblick

Teil 1 Aufbau und Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Teil 3 Brennstoffzellen-Typen

Teil 2 Wirkungsgrad der Brennstoffzelle

Folie 2, WBZU

1. Aufbau und Funktionsprinzip

Folie 3, WBZU

Geschichtliches zur BrennstoffzelleGeburt der Brennstoffzelle

1839: Die Entdeckung der BZ durch Sir W. Grove

1889: Bezeichnung "Brennstoffzelle" setzt sich durch

1894: Wilhelm Ostwald errechnet einen theoretischen Wirkungsgrad von 83 % bei Raumtemperatur.

1. Renaissance der Brennstoffzelle: Raumfahrt

60er Jahre: Entwicklung und Einsatz der alkalischen Brennstoffzelle (AFC) fr Apollo-Programm

1964: Entwicklung der Polymermembranzelle PEMFC), Einsatz in Gemini-Raumfahrzeug

80er Jahre: Entwicklung und Einsatz der alkalischen Brennstoffzelle (AFC) fr Space-Shuttle-Programm

2. Renaissance der Brennstoffzelle

Seit ca.1990: Wiederentdeckung der Brennstoffzelle

Seit ca.2000: Prototypen und Vorserienprodukte

Sir W. Grove

Nischenanwendungen

Vorserienprodukte

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 4, WBZU

2 H2O

Wasser H2O OH

HO

H

H

Funktionsprinzip am Beispiel der PEFC

ElektrolytA

node

(-)

Rest-Brenngas

Kat

hode

(+)

Katalysator

-H2

H+

+ + 4e4H2H2

Anode

H+

H+H+

- - - -

+4HMembran

O2H+-

O2H4e4HO 2-

2 +++

Kathode

Brenngas (H2)

H2 H2

2 H2

Oxidationsmittel (Luft / O2)

O2

O2

Gesamtreaktion OHO2H 222 +

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 5, WBZU

Der kleine aber feine Unterschied...

e-

+

e-

H+ + elektrische undthermische Energie

+ sehr viel Wrme

e-

e-

+

Knallgasreaktion:

Kontrollierte elektrochemische Reaktion

WrmeEnergie eelektrischO2HO2H 2tkontollier

22 +++

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 6, WBZU

Stackaufbau 1

Schaltet man mehrere Einzelzellen in Reihe, so spricht man von einem Brennstoffzellenstack (Stapel). Die Spannungen der Einzelzellen addieren sich zur Gesamtspannung.

PEM-Brennstoffzelle (ZSW-Ulm)

H2 H2 H2

Luft

End

plat

te

Bip

olar

plat

te

End

plat

te

Bip

olar

plat

teEME GDL

Luft

Luft

Video: Aufbau einer BZ

(bitte Bild klicken)

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 7, WBZU

Stackaufbau 2

GDL

EME

Bipolarplatte

Modell PEM-Stack (ZSW-Ulm)

Dichtungselement

Elektroden-Membran-Einheit, EME

Graphi-CompositBipolaplatte

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 8, WBZU

Begriffe Stackaufbau1. Elektrolyt (Membran)Sorgt fr den Ionentransport und trennt Anode und Kathode.

2. ElektrodenHier finden die elektrochemischen Reaktionen statt.

3. EMEElektrode Membran Einheit: Herzstck der Brennstoffzelle.

4. GasdiffusionslagenSind fr die Versorgung und Verteilung der Reaktionsgase notwendig.

5. BipolarplattenFeine Kanle in den Platten sorgen fr die Zufuhr und Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff. Auerdem dienen sie als Elektronen-sammler.

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 9, WBZU

1. Elektrolyt / Membran

Anforderungen an den Elektrolyten (hier: Membran):gasdichtgute Protonenleitfhigkeitgeringe elektrische Leitfhigkeitstabil gegen Sauerstoff und Brennstoff (z. B. H2)hohe mechanische Stabilitt

Material/Eigenschaften:Membran aus Poly-perfluorsulfonsure30 bis 175 m dickProtonenleitfhigkeit 0,2 S/cm (Nafion 117, 100%RH, 50C)

Struktur von Nafion

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 10, WBZU

2. Elektroden

Anforderungen an die Elektroden:gute elektrische Leitfhigkeitgroe Kontaktflche mit dem Elektrolyten (hohe Oberflche)gute Transporteigenschaften fr Gasegute Transporteigenschaften fr Ionen (H+)gute katalytische Eigenschaftenstabil gegen H2 und O2

Material:Anode: Pt/Ru (0,4 mg/cm2) auf KohlenstoffKathode: Pt (0,4 mg/cm2) auf Kohlenstoff

REM Aufnahme einer Elektrode

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 11, WBZU

3. Elektron Membran Einheit (EME)Elektrode-Membran-Einheit:Verbindung der Membran mit den beiden Elektroden

Polymerelektrolyt

Kohlepartikel

katalysatorbelegte Kohle

Gasdiffusionsschicht

Katalysatorschicht

Elektrolytschicht

3-PhasengrenzeReaktionsort:

Katalysatorpartikel (z. B. Pt 1,5-5 nm)

H2

H+e-

Photo einer EME

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 12, WBZU

4. Gasdiffusionslage (GDL)

Anforderungen an die Gasdiffusionslage (GDL):gute Transporteigenschaften fr GaseBereitstellung von Wasser an der AnodeAbtransport von Reaktionswasser an der Kathodegute elektrische Leitfhigkeit

Material:graphitisiertes Papierhydrophobisiert (tefloniert, Belegung ca. 25%)

REM Aufnahme einer GDL

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 13, WBZU

5. Bipolarplatte

Anforderungen an die Bipolarplatten:gasdichtgute elektrische Leitfhigkeitstabil gegen Sauerstoff und Brennstoffmechanische Stabilittflchige Zufhrung der Reaktionsgase an GDL

Material/Eigenschaften:Graphit-Composit-Thermoplastgute chemische Stabilittgeringe Material- und FertigungskostenMander- oder Netz-Flowfield

Alternativen:GraphitEdelstahlAluminiumTitan Graphi-Composit BBP

Teil 1Aufbau & Funktion

Folie 14, WBZU

2. Wirkungsgrad und Systemaufbau eines BZ-Systems

Teil 2Wirkungs-

grad

Folie 15, WBZU

Energiebilanz einer BrennstoffzelleIn einer Brennstoffzelle wird die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in Elektrische Energie und Wrmeenergie umgewandelt.

Heiz- und Brennwert / Reaktionsenthalpie

Die Brennstoffenergie wird bei der Verbrennung des Brennstoffs als Reaktionswrme frei. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, pro mol Wasserstoff wird eine Energiemenge von 286kJfreigesetzt. Dieser Wert wird als Reaktionsenthalpie H oder bei konstantem Druck als Heizwert bezeichnet.

Brennstoffenergie = elektrische Energie + Wrmeenergie

KJ/mol 285.8H , O2HO2H O222 =+

Wasserstoff

Sauerstoff/Luft

Wasser

WrmeElektrizittBZ

Teil 2Wirkungs-

grad

Folie 16, WBZU

Idealer Wirkungsgrad einer BZ

H

G0max U

UHG(T)

sBrennstoffdes remeReaktionswArbeit el. gewinnbare maximal ===

Der ideale (elektrische) Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle betrgt:

Beispiele (bei 25C):

Wasserstoff (oberer Heizwert): 83%

Wasserstoff (unterer Heizwert): 94%

H0: Brennwert/Heizwert bei StandardbedingungenG: freie ReaktionenthalpieUH: (fiktive) HeizwertspannungUG: G-Spannung (entspr. Gleichgewichtsspannug U0)

Teil 2Wirkungs-

grad

Folie 17, WBZU

Kalte und Warme Verbrennungen

Kalte Verbrennung (Brennstoffzellen):kontrollierter Reaktionsverlauf (keine Flamme)direkte Umwandlung von chemischer in elektrische EnergieUmweg ber ein Arbeitsmedium ist nicht notwendig !

Brennstoff Elektrizitt

OH

H

Warme Verbrennung (Wrmkraftmaschine):unkontrollierter Reaktionsverlaufdie freiwerdende Wrme wird auf ein Arbeitsmedium bertragen (z.B. Wasser, Wasserdampf)das Arbeitsmedium durchluft einen Kreisprozess und treibt eine Turbine mit Generator an

Brennstoff Wrme Bewegung

Turbine Generator

Elektrizitt

Teil 2Wirkungs-

grad

Folie 18, WBZU

Kalte und Warme VerbrennungVerbrennungsmotor vs. Brennstoffzelle

Wilhelm Ostwald (Nobelpreistrger)auf der 2. Jahrestagung des Verbands Deutscher Elektrotechniker (1884):Die Brennstoffzelle ist eine grere zivilisatorische Leistung als die Dampfmaschine und wird schon bald den Siemensschen Generator in das Museum verbannen.

Carl Friedrich Benz und Gottlieb Daimlerentwickelten zur selben Zeit den Verbrennungsmotor

Teil 2Wirkungs-

grad

Folie 19, WBZU

Wirkungsgradvergleich WKM und BZ

Theoretischer Wirkungsgrad einer Wrmekraftmaschine (Carnot Wirkungsgrad):

max

min

max

minmaxc T

TT

TT == 1

Tmax: Maximale Prozesstemperatur (Dampftemperatur)Tmin: Minimale Prozesstempeatur (entspannter Dampf)

Theoretischer Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle:

HST1

HST-H

HG(T) OBZMax, =

=

Teil 2Wirkungs-

grad

Folie 20, WBZU

Theorie: Wirkungsgradvergleich WKM und BZ

Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen arbeiten bei einem niederen Temperaturniveau schon effizient !

0%

25%

50%

75%

100%

0 200 400 600 800 1000 1200

Tempeperatur [C]

theo

retis

cher

ele

ktris

cher

W

irkun

gsgr

ad [%

]

H2-O2 Brennstoffzelle

WKM, Carnot (T2=100C)

Teil 2Wirkungs-

grad

Folie 21, WBZU

Und wie sieht die Praxis aus ?Teil 2

Wirkungs-grad

Folie 22, WBZU

Heizwertspannung (H-Spannung)

Die Heizwertspannung (oder auch enthalpische Zellspannung) ist die theore