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Die Brennstoffzelle

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Die Brennstoffzelle Energie der Zukunft? Christina Clemens, Thomas Arand bersicht Geschichte Aufbau Chemie Verschiedene Arten der Brennstoffzelle Anwendungen in der ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Die Brennstoffzelle


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Die Brennstoffzelle
  • Energie der Zukunft?
  • Christina Clemens,
  • Thomas Arand

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Übersicht
  • Geschichte
  • Aufbau
  • Chemie
  • Verschiedene Arten der Brennstoffzelle
  • Anwendungen in der Praxis
  • Zukunft

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Geschichte
  • Vor mehr als 160 Jahren entdeckte der Engländer
    William R. Grove das Prinzip der Brennstoffzelle.
    Erst in den vergangenen Jahrzehnten erlebt die
    Brennstoffzelle als "neue" Technik eine
    Renaissance.

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Aufbau der Brennstoffzelle
  • Das bekannteste Beispiel für eine Brennstoffzelle
    ist die mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene
    Wasserstoff-Sauerstoff-BZ (Polymer Elektrolyt
    Brennstoffzelle (PEM), PEM-BZ. Sie gehört zu den
    Niedertemperatur-BZ.

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Aufbau der Brennstoffzelle
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Aufbau einer PEM-BZ

-
Nutzstrom
H2
O2 (Luft)
Luft/ H2O
H2
Elektrolyt (Membran)
Kathode
Anode
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Chemie am Beispiel der PEM
  • Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird ein
    edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt,
    meistens handelt es sich hierbei um Platin. Mit
    Nafion als Membranmaterial.
  • Erst die Zufuhr der Aktivierungsenergie, z.B.
    durch einen Funken, lässt die Reaktion ablaufen.
  • Die hierbei stattfindende Aufladung der
    Elektroden bezeichnet man als Elektrodenpotential.

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Chemie am Beispiel der PEM
  • Theoretisch lässt sich an einer
    PEM-Brennstoffzelle eine Ruhespannung von 1,23V
    messen.
  • E E0(Kathode) - E0 (Anode)
  • ? U E0 (Sauerstoff) - E0 (Wasserstoff) 1,23V
    - 0V 1,23V.
  • Anode 2H2(g) ? 4H 4e-
  • Kathode O2(g) 4 H 4e- ? 2 O2-
  • Gesamtreaktion 2H2(g) O2(g) ? 2H2O(g)
  • Die Brennstoffzelle kann je nach Typ und
    Brennstoff einen theoretischen Wirkungsgrad von
    70 bis ca. 100 erreichen
  • Tatsächliche Wirkungsgrad liegt zwischen 20 und
    70.

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Wirkungsgrad
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Verschiedene Arten der Brennstoffzelle
  • Polymer Elektrolyt Brennstoffzelle (PEM) (
    Polymer Electrolyte Fuel Cell)
  • Alkalische Brennstoffzelle (AFC) (Alkaline Fuel
    Cell)
  • Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC) (Phosphoric
    Acid Fuel Cell)
  • Schmelzkarbonat Brennstoffzelle (MCFC) (Molten
    Carbonate Fuel Cell)
  • Oxidkeramische Brennstoffzelle ( SOFC) (Solid
    Oxide Fuel Cell)
  • Direkt Methanol Brennstoffzelle (DMFC) (Direct
    Methanol Fuel Cell)

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Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
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Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
  • Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase
    Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in
    den Katalysator.
  • Die Wasserstoffmoleküle werden durch den
    Katalysator gespalten.
  • Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode
    und bewirken einen elektrischen Stromfluß.
  • Jeweils vier Elektronen an der Kathode
    rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
  • Die entstandenen Sauerstoff-Ionen reagieren mit
    Wasser zu OH- -Ionen.
  • Die Hydroxid-Ionen wandern durch den Elektrolyten
    (Kalilauge) zur Anode.
  • Die Hydroxidionen reagieren an der Anode mit den
    Protonen zu Wasser.Ein Teil des entstandenen
    Wassers wird wieder an die Kathode transportiert,
    wo es für eine weitere Reaktion zur Verfügung
    steht.

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Anwendung der AFC
  • Alkalische Brennstoffzellen wurden in der
    bemannten Raumfahrt eingesetzt, die ohne die
    Brennstoffzellen nicht möglich gewesen wäre. Im
    Skylab und in den Space Shuttles wurden bzw.
    werden alkalische Brennstoffzellen eingesetzt.
  • AFCs wurden auch für den Einsatz als
    Fahrzeugantrieb erprobt. Allerdings besteht hier
    der Nachteil, dass die AFC nicht mit Luft direkt
    betrieben werden kann.
  • Dies ist ein genereller Nachteil der AFC. Das in
    der Luft enthaltene Kohlendioxid ist vorher zu
    entfernen, um eine "Vergiftung" des Elektrolyten
    zu vermeiden. Dies erfordert einen zusätzlichen
    technischen Aufwand.
  • Mit reinem Sauerstoff betrieben verfügt die AFC
    allerdings über eine sehr gute Haltbarkeit, was
    sie insbesondere für Nischenanwendungen
    qualifiziert.

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Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC)
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Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)
  • Auch bei dieser Brennstoffzelle werden die Gase
    getrennt in den Katalysator gegeben
  • Die Protonen wandern durch den Elektrolyten
  • Die Sauerstoff-Ionen geben ihre negativen
    Ladungen an die Protonen ab und oxidieren zu
    Wasser

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Anwendung PAFC
  • Die PAFC wird ausschließlich für die
    Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt.
  • Die PAFC war die erste kommerziell verfügbare
    Brennstoffzelle. In Einheiten mit einer
    elektrischen Leistung von 200 kW und einer
    thermischen Leistung von 220 kW wurde sie von der
    amerikanischen Firma ONSI angeboten. Bisher
    wurden weltweit rund 200 PAFC-Anlagen installiert.

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Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
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Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
  • Der Sauerstoff und das Kohlendioxid an der
    Kathode und Wasserstoff an der Anode - wandern
    vom Gasraum in den Katalysator.
  • Die Sauerstoff-Ionen reagieren mit Kohlendioxid
    zu Karbonat-Ionen.
  • Die Karbonat-Ionen wandern durch den Elektrolyten
    (Salzschmelze) zu den Protonen
  • Die Karbonat-Ionen geben Ladungen an zwei
    Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.
    Durch die Abspaltung der Sauerstoff-Ionen vom
    Karbonat entsteht wieder Kohlendioxid.

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Anwendung MCFC
  • Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen werden für den
    stationären Einsatz entwickelt
  • eignen sich besonders für die Kraft-Wärme-Kopplun
    g in industriellen und gewerblichen Anwendungen,
    wo hohe Temperaturen benötigt werden
    (Prozesswärme)
  • Es werden Anlagen im Leistungsbereich von 300 kW
    entwickelt, aber auch größere Leistungen von
    mehreren Megawatt sind möglich
  • Neben diesen stationären Anwendungen werden auch
    Schiffsantriebe auf der Basis von MCFCs
    entwickelt.

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Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)
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Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)
  • Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase
    Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in
    den Katalysator
  • Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen wandern
    durch den Elektrolyten (Yttriumdotiertes
    Zirkondioxid)) zur Anodenseite
  • Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen
    Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit
    diesen zu Wasser

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Anwendung SOFC
  • Festoxid-Brennstoffzellen sind sowohl für
    stationäre als auch für mobile Anwendungen
    geeignet.
  • Stationäre Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung
    werden sowohl für Ein- und Mehrfamilienhäuser als
    auch für große Gebäude und gewerbliche oder
    industrielle Anwendungen entwickelt.
  • Die Wärme kann auf einem hohen Temperaturniveau
    entnommen und als Prozesswärme genutzt werden.
  • Daneben werden kleine Kraftwerke auf der Basis
    der SOFC entwickelt. Hier wird die Abwärme zur
    Stromerzeugung in Gasturbinen genutzt. Solche
    Kraftwerke sollen zukünftig Wirkungsgrade von 70
    erreichen können.
  • Im mobilen Bereich werden SOFCs bisher nicht für
    den Fahrzeugantrieb entwickelt, sondern als
    Ersatz für die Fahrzeugbatterie. Der Grund liegt
    zum einen in der ständig steigenden Anzahl von
    elektrischen Verbrauchern im Auto, und zum
    anderen in der Möglichkeit, auch bei
    abgeschaltetem Motor über lange Zeit Strom zur
    Verfügung zu haben. Als Betriebsmittel dient
    Benzin, das vor der Brennstoffzelle einem
    technisch einfachen Reformer und einer
    Entschwefelung zugeführt werden muss.

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Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
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Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
  • Die getrennten Gase Sauerstoff Methanol und
    Wasser, wandern vom Gasraum in den Katalysator.
  • Das Methanol reagiert mit dem Wasser zu
    Kohlendioxid und Wasserstoff.
  • Die Protonen wandern durch den Elektrolyten
    (Protonenleitende Polymer-Elektrolyt-Membran) zur
    Kathode
  • Jeweils vier Elektronen an der Kathode
    rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
  • Die entstandenen Sauerstoff-Ion reagieren mit den
    Protonen zu Wasser.

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Anwendung DMFC
  • Die Direktmethanol-Brennstoffzelle wird derzeit
    für kleine, tragbare Anwendungen entwickelt.
  • Die Toxizität von Methanol erfordert ein sehr
    sicheres Speichersystem in Form von Patronen oder
    Kartuschen.
  • Da derzeit weltweit intensiv an der DMFC
    entwickelt wird, ist in den nächsten Jahren mit
    einer breiten Markteinführung zu rechnen.
    Insbesondere im Bereich der mobilen Computer, wo
    die Akkulaufzeit weiterhin die größte
    Einschränkung bedeutet. Mit einer
    Methanol-Patrone rechnet man mit einer bis zu
    fünffachen Laufzeit gegenüber Akkus und der
    Wechsel der Patrone geschieht in Sekunden.
  • Kaufen kann man bereits DMFC Systeme für den
    Campingbereich und für industrielle Notebooks.
    Insbesondere japanische Hersteller wollen in den
    nächsten 2-3 Jahren mit sehr kompakten Systemen
    auf dem Markt sein. Für den Einsatz im
    Mobiltelefon ist noch ein weiter Schritt in der
    Miniaturisierung notwendig. Bis dieser erfolgt
    ist, gibt es zumindest so genannte Power-Packs,
    mit denen lassen sich Akkus z.B. auch von
    Digitalkameras unterwegs nachladen.

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Anwendung in der Praxis
  • In Krefeld wird der Energiebedarf einer ganzen
    Siedlung mit Brennstoffzellen gedeckt
  • Dies ist ein europaweit einzigartiges Projekt

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Entwicklungsstand
  • Vorteile Hoher Wirkungsgrad bei Voll- und (je
    nach Anwendung) bei Teillast der Brennstoffzelle
    Gute Regelbarkeit Hohe Stromkennzahl Gute
    Leistungsstaffelung durch modularen Aufbau
    Geringer zu erwartender Wartungsaufwand Geringe
    Schadstoff- und Lärmemissionen Hohes
    Entwicklungspotenzial
  • Nachteile Hoher Investitionsaufwand Wenig
    Betriebserfahrungen Fehlender Nachweis hoher
    Lebensdauer Wenig Anbieter
  • Die genannten Nachteile dürften allerdings
    zukünftig aufgrund weiterer Entwicklungsfortschrit
    te an Bedeutung verlieren. Vor allem bei den
    Investitionskosten wird mit einem deutlichen
    Rückgang zu rechnen sein, wenn die Systeme
    technisch optimiert sind und größere Stückzahlen
    produziert werden können

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Ausblick
  • Was wird die Zukunft bringen?
  • Werden auch aus ökologischer Sicht immer wichtiger

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Quellen
  • www.die-brennstoffzelle.de
  • www.innovation-brennstoffzelle.de
  • www.brennstoffzelle-nrw.de
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