LAWEZ_1.PPT
Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V.Helmholtzstr. 6, D-89081 Ulm [email protected], 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
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