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Brennstoffzelle - eduhi.at · PDF fileBrennstoffzelle AK-05/2001 GB3: Elektrochemische Energiewandlung und -speicherung Abteilung ECW: Elektrochemische Wasserstofftechnik Gemeinnützige

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Brennstoffzelle

AK-05/2001

GB3:ElektrochemischeEnergiewandlungund -speicherung

Abteilung ECW:Elektrochemische

Wasserstofftechnik

Brennstoffzelle

AK-05/2001

GB3:ElektrochemischeEnergiewandlungund -speicherung

Abteilung ECW:Elektrochemische

Wasserstofftechnik

Die Brennstoffzelle:Energiequelle der Zukunft?

30.05.2001

A. Kabza, L. Jrissen

Zentrum fr Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Ulm

GB3: Elektrochemische Energiewandlung und -speicherung

Abteilung ECW: Elektrochemische Wasserstofftechnik

Brennstoffzelle

AK-05/2001

GB3:ElektrochemischeEnergiewandlungund -speicherung

Abteilung ECW:Elektrochemische

Wasserstofftechnik

Gliederung

Gliederung:

1. ZSW - was ist das?

2. Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

3. Was bentigt man zum Betrieb einer Brennstoffzelle?

4. Stand der Technik

Brennstoffzelle

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Abteilung ECW:Elektrochemische

Wasserstofftechnik

Gemeinntzige Stiftung des Brgerlichen Rechts*

Gegrndet 1988 (GB3 in Ulm seit 1990)

Stifter sind: Wirtschaftsministerium Baden-Wrttemberg Universitt Stuttgart Universitt Ulm Deutsche Forschungsanstalt fr Luft- und Raumfahrt DLR private Unternehmen der Wirtschaft:

Adolf Wrth GmbH & Co KG, Robert Bosch GmbHDaimlerChrysler AG, Fichtner-Beratende Ingenieure GmbH,Martin Fritz Marketing Kommunikation, Messer-GriesheimGmbH, MC Energie- und Umwelttechnik GmbH, CH Schlaich,Bergemann und Partner, Verband der ElektrizittswerkeBaden-Wrttemberg e.V.

ZSW

* initiiert und institutionell gefrdert vom Ministerium fr Wirtschaft, Mittelstand undTechnologie, Baden-Wrttemberg

Brennstoffzelle

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Abteilung ECW:Elektrochemische

Wasserstofftechnik

Stuttgart: Zentrale Dienste Systemanalyse GB1

Widderstall: PV-Freiversuchsgelnde

Ulm: GB3

Baden-Wrttemberg

ZSWStandorte

Brennstoffzelle

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Abteilung ECW:Elektrochemische

Wasserstofftechnik

Sonnenenergie und Wasserstoff als Energietrger fr die zuknftige Energieversorgung nutzbar machen

Forschungs- und Entwicklungs-Aktivitten

Systemstudien

Kooperation mit Unternehmen und ffentlichen Stellen

Information

Beratung

Auftrag desZSW

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

Werkstatt Ulm

EC Verfahren undModellierung Dr. Lehnert

EC WasserstofftechnikDr. Jrissen

EC AkkumulatorenDr. Dring

EC MaterialforschungDr. Wohlfahrt-Mertens

Testfeld Widderstall

Werkstatt Stuttgart

PV Module SystemeAnwendung Mohring

PV MaterialforschungDr. Powalla

Regenerative Energie-trger und Verfahren

Dr. Specht

SystemalanyseDr. Stai

GB 1: PhotovoltaicDr. Gabler

Sellv.: Dr. Powalla

GB 3: Elektrochem.Energiewandlung und

-SpeicherungProf. Garche

Sellv.: Dr. Jrissen

ZSW-Organigramm(Stand: 01/2001)

KuratoriumVorsitz: Prof. Albrecht

VorstandProf. Garche, Dr. Schott

ZSW-Technologietransferund Service-GmbH

Geschftsfhrer: Dr. Schott

GeschftsfhrungDr. Schott

Zentrale Dienste

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

ECADr. Dring

KommerzielleAkkumulatoren

Elektrische &Sicherheits-Tests

SystemtechnikPV, EV

ECMDr. Wohlfahrt-

Mehrens

Katalysatoren

Legierungen alsAktivmaterialien

OxidischeAktivmaterialien

ECWDr. Jrissen

WasserstofftechnikErzeugung,Reinigung

BrennstoffzellenTests

BrennstoffzellenEntwicklung

GB3: Energie-wandlungund -speicherung

GB3Leitung: Prof. Garche

Stellvertreter: Dr. Jrissen

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

Paul Saffo (1999)Direktor des Institute for the Future, Menlo Park, Kalifornien

Neben dem Computer wird vor allem dieBrennstoffzelle

das Zusammenleben der Menschen im 21. Jahrhundert verndern

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

chemischeEnergie

elektrischeEnergie

thermischeEnergie

mechanischeEnergie

Verbrennung

thermomechanischerProzess

z. B. Dampfturbine

elektromechanischerProzess

z. B. Generator

=0,9

=0,55 (Carnot)

=0,99

el, ideal =0,45

elektro-chemischerProzess in derBrennstoff-zelle

el, ideal =0,83

elektrischeEnergie

Brennstoffzelle

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Carnot-Wirkungsgrad

theoretische WirkungsgradeBZ: el = 94,5% bei 25CCarnot: = 55,2% bei 100C/560C

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

Reaktionsgleichung: 2 H2 + O2 2 H2O

+ sehr viel Wrme

e-

e-

+

e-

H+ + elektrische und thermische Energie

Anode (Ox): H2 2 H+ + 2 e-Kathode (Red): 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- H2O

Knallgas-reaktion

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie durch kalte Oxidation des Brennstoffs mit Sauerstoff oder Luft.

Elektrolyt(Ionen-leiter)

Elek

trode

(Ano

de)

Elek

trode

(Kat

hode

)

Elektrode:elektrisch leitendenthlt Katalysator

Elektrolyt:guter Ionenleiterschlechter Elektronenleiter

H2 O2

H2O

e-

H+

Funktions-weise

Brennstoffzelle

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Anode (Oxidation): H2 2 H+ + 2 e-Kathode (Reduktion): O2 + 2 e- O2-

oberer Heizwert: H2 + O2 H2O(l) H = -285,83 kJ/molunterer Heizwert: H2 + O2 H2O(g) H = -241,82 kJ/mol

freie Reaktionsenthalpie (Lage des Gleichgewichts):

Entropie (Ma fr die Ordnung):

Enthalpie (Reaktionswrme, chem. Energie, Heizwert):

Thermo-dynamik

H0 = -285,83 kJ/mol

S0 = -163,34 J/K molnegativ, weil: 3/2 Mol Gas 0 Mol Gas

G0 = H0 - TS0 (Gibbs-Helmholtz-Gleichung)= -285 830 J/mol - 298,15 K (-163,34 J/mol K)= -237 130 J/mol

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

Einzelzellspannung (UEZ) = elektromotorische Kraft (EMK)

E0 = -G0/zF = 1,229 V

Temperaturabhngigkeit: (E0/ T)p = -S0/zF = 0,845 mV/K

E0 nimmt mit steigender Temperatur ab!(z. B. bei 80C 1,182V)

Druckabhngigkeit (Nernst-Gleichung):

E nimmt mit steigendem H2- und O2-Druck zu!(Druckerhhung beider Gase von 1 auf 10 bar: E = 1,27 V)

)pplog(2

V059,0V229,1pp

aln

zFRTEE 2/1OH2/1

OH

OH0 22

22

2 +=

=

Zellspannung

Die maximale Arbeit, die von einem System geleistet werdenkann, entspricht der freien Enthalpie G.

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Wasserstofftechnik

Idealer, reversibler, thermodynamischer Wirkungsgrad

id = G / H = 1 - T S/H

Verhltnis zwischen G (maximaler Arbeit)und H (Reaktionswrme)

Beispiele:H2 + O2 H2O(l) (25C) id = 0,83H2 + O2 H2O(l) (100C) id = 0,81H2 + O2 H2O(g) (25C) id = 0,95C(s) + O2 CO (25C) id = 1,24 (!)

idealer Wirkungsgrad = Thermodynamik, reversibelrealer Wirkungsgrad = elektrochemische Kinetik, irreversibel

idealerWirkungsgrad

Brennstoffzelle

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Wasserstofftechnik

U0U

Zells

pann

ung

Zellstrom i

1,23V (EMK)0

kin

berspannung durch kinetisch gehinderte Elektrodenreaktionen0: Ruhepolarisation (Restberspannung): Spannungsabfall im Elektrolyten, = i IR kin: kinetische Hinderung, kin = D + d + r (nicht linear!)

D: Durchtrittspolarisation (charge-transfer)d: Diffusionspolarisationr: Reaktionspolarisationd + r = Konzentrationspolarisation

Kinetik

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Wasserstofftechnik

Spannungswirkungsgrad U = U 2F / G = U / U0(bezogen auf G)

idealer Wirkungsgrad id = G / H = 1 - T (S/H)

elektrischer Wirkungsgrad el = U 2F / H = id U(bezogen auf H)

Umsatzwirkungsgrad F(Faraday-Wirkungsgrad, Stromau

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