Lehrerheft_Brennstoffzelle_DE Auszug.pdf

5/20/2018 Lehrerheft_Brennstoffzelle_DE Auszug.pdf

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Lehrerheft Brennstoffzelle


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Inhaltsverzeichnis

1 Vorwort 2

2 Physikalische Gren 2

3 Definition 2

4 Die Entwicklung der Brennstoffzelle 3

5 Prinzip und Funktion von Brennstoffzellen 4

6 Wirkungsgrad von Brennstoffzellen 6

7 Einteilung der Brennstoffzellen 97.1 bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97.2 PEMFC Protone-Exchange-Membrane-Fuel-Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107.3 AFC Alkalische Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117.4 PAFC Phosphorsure Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117.5 MCFC Schmelzkarbonat Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127.6 SOFC Oxidkeramische Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127.7 DMFC Direkt-Methanol Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

8 Die leXsolar-Brennstoffzelle 158.1 Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

8.2 Die leXsolar-Brennstoffzelle als Elektrolyseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.3 Die leXsolar-Brennstoffzelle als Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

9 Experimente 249.1 bersicht zu den Versuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249.2 Funktionsweise von Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259.3 Funktionsweise von Brennstoffzellen und Elektrodenreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279.4 U-I-Kennlinie des Elektrolyseurs (Trafo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299.5 U-I-Kennlinie einer Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319.6 U-I-Kennlinie eines Brennstoffzellenstapels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

9.6.1 U-I-Kennlinie zweier Brennstoffzellen in Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 339.6.2 U-I-Kennlinie zweier Brennstoffzellen in Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 35

9.7 Abhngigkeit der U-I-Kennlinie vom Elektrolyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

9.7.1 U-I-Kennlinie bei variierender Ionenart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379.7.2 U-I-Kennlinie bei variierender Elektrolytkonzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399.7.3 U-I-Kennlinie des Elektrolyseurs bei variiernder Elektrolytkonzentration . . . . . . . 42

9.8 Abhngigkeit der U-I-Kennlinie von der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449.9 Solar - Wasserstoff - Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.9.1 Kennlinie des Solarmoduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479.9.2 Leistungsanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499.9.3 Test des angepassten Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

9.10 Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529.10.1 Wirkungsgrad der leXsolar-Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529.10.2 Wirkungsgrad einer Solar-Wasserstoff-Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

10 Allgemeine Hinweise 59

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1 Vorwort

Das Lehrerheft der leXsolar-Brennstoffzelle soll Hintergrnde zur Notwendigkeit und zu den Einsatzgebie-ten von Brennstoffzellen liefern. Auerdem sollen einfache chemisch-physikalische Zusammenhnge, diefr das Verstndnis ablaufender Reaktionen notwendig sind, erlutert werden. Dabei wird sich um eineschlergerechte Darstellung sowohl im theoretischen Teil als auch in den Auswertungen stets bemht. Dadie ablaufenden Prozesse jedoch wesentlich komplexer sind, werden in diesem Heft auch Sachverhalte,die den Schulstoff bersteigen, dargestellt. Das Verstndnis des leXsolar-Lehrerheftes soll durch eine ein-heitliche Nomenklatur, die unter Umstnden von der in den verschiedenen Schullehrbchern eingesteztenabweichen kann, vereinfacht werden. Zu diesem Zweck befindet sich im Abschnitt 2 eine Tabelle [2] zu denphysikalischen Gren und den verwendeten Abkrzungen.

2 Physikalische Gren

/e/G/U//F Wirkungsgrad/elektrischer/GIB Bscher/elektrochemischer/FARADAYscherw/we Arbeit/elektrischeq/qw Energie/WrmeRH ReaktionsenthalpieRS ReaktionsentropieRG Freie ReaktionsenthalpieF FARADAY-KonstanteUeq/U Gleichgewichtsspannung (EMK)/Standardbedingungenz Zahl der LadungenT/Tw/Tk Temperatur/warm/kaltUkl /UZ/UL Klemm- oder Last-/ Zersetzungs-/ Leerlaufspannung

I/Imax Stromstrke/Kurzschlussstromn StoffmengeVmol molares Volument ZeitM molare Massei berspannungRi Innenwiderstandai Aktivitt

3 Definition

Eine Brennstoffzelle ist eineGALVANIsche Zelle zur Energiespeicherung. Chemische Energie wird in elektri-sche Energie ber Verbrennungsreaktionen kontrolliert umgewandelt. Dabei wird in der Regel WasserstoffH2umgesetzt. Im Gegensatz zu den Batterien (primre Energiespeicher) und den Akkumulatoren (sekun-dre Energiespeicher) mssen die Verbrennungsedukte und -produkte der Brennstoffzelle kontinuierlichzu- bzw. abgefhrt werden.

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4 Die Entwicklung der Brennstoffzelle

Die Idee, chemische Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln, ist nicht neu. Sie basiert zu groenTeilen auf den Arbeiten von LUIGI G ALVANI(1737-1798) und ALESSANDRO V OLTA(1745-1827), die beideelektrischen Phnomenen ihren Namen gaben. Ein Stromerzeuger, der auf der angestrebten direkten Um-wandlung chemischer in elektrische Energie basiert, ist die Brennstoffzelle, welche selbst keine Erfindungder letzten Jahre ist. Bereits 1802 berichtete Sir HUMPHREYDAVY von der Konstruktion einer einfachenZelle, die Kohlenstoff (C) mit Sauerstoff (O2) zu Kohlendioxid (CO2) "verbrannte" und ihm dabei einenfhlbaren elektrischen Schlag versetzte. Im Jahre 1839 wurde von Sir W ILLIAM GROVEeine Brennstoffzel-le im heutigen Sinn prsentiert, die das bekannte Elektrolyseexperiment umkehrte und durch Zufuhr vongasfrmigem Wasserstoff und Sauerstoff an die Elektroden Strom erzeugte, ein Prinzip, das im Jahre zuvorvon Prof. CHRISTIANFRIEDRICH SCHNBEINentdeckt wurde.

Abbildung 1: GROVES[1] Versuchsaufbau mit 4 Einzelzellen

Der Begriff "Brennstoffzelle" wurde erstmalig von MON Dund LANGERim Jahre 1889 verwendet. Da gleich-zeitig jedoch die Entwicklung des Generators zur Umwandlung mechanischer Arbeit in elektrische Ener-gie erfolgreich vorangetrieben wurde, versiegte das Interesse an der Brennstoffzellentechnik whrend dernchsten 60 Jahre fast vollstndig. Erst mit den Arbeiten von F. T. BACON, der auch die erste AFC-Brennstoff-

zelle vorstellte, bekam die Brennstoffzelle in den 50er Jahren einen Aufschwung. Mitte des 20. Jahrhundertswurden in der Raumfahrt- und Militrtechnik kompakte und leistungsfhige Energiequellen bentigt. Da-

bei wiesen Brennstoffzellen gegenber Verbrennungsmotoren und herkmmlichen Batterien verschiedeneVorteile auf, so dass die NASA in den 60er Jahren erstmals eine Brennstoffzelle in einem Satelliten verwen-dete. Auch der berhmte APOLLO-Mondflug wre ohne diese neue Technik undenkbar gewesen.Die zivile Nutzung von Brennstoffzellen begann schlielich Mitte der 90er Jahre, als neue Konzepte fr eineleistungsfhigere, kostengnstigere und umweltschonendere Energiegewinnung gesucht wurden. Ein ste-

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tig steigendes Energiedefizit, das unter anderem durch die fortschreitende Industrialisierung und die weiter

wachsendenBevlkerungszahlen verursacht wird, die Verringerung der Reserven an klassischen Energielie-feranten wie l und die steigende Umweltbelastung in Folge der kontinuierlichen CO2-Emisionen zwangendie Wissenschaftler dazu, nach Alternativen in der Energiegewinnung und auch ihrer Speicherung zu for-schen. Die vielleicht bekanntesten alternativen bzw. erneuerbaren Energien sind die Solarenergie, die Wind-und die Wasserkraft. Diese Methoden verdeutlichen jedoch die wachsende Diskrepanz zwischen Quellen-verfgbarkeit und Leistungsbedarf, da eine unausweichliche Wetterabhngigkeit besteht. Leistungsmaxi-ma und zeitweise Energiemangel wechseln sich ab, so dass eine kontinuierliche Einspeisung in den Marktkaum zu realisieren ist. Es mussten also parallel zu den erneuerbaren Energiequellen verbesserte Energie-speichersysteme entwickelt werden. Wie C. F. SCHNBEIN bereits vor mehr als 150 Jahren erkannte, bietetdie Brennstoffzelle hierfr eine Mglichkeit.Zwar finden Brennstoffzellen heute sowohl in der Makro- (PKW, U-Boote) als auch in der Mikrosystemtech-nik aller Lebensbereiche Einsatz, jedoch ist man von ihrer Massenproduktion noch weit entfernt.

5 Prinzip und Funktion von Brennstoffzellen

Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Bauelement, das die Energie einer chemischen Reaktion direktin elektrische Energie (und Wrme) umwandelt. Die Zelle besteht aus zwei Elektroden (Anode (+), Kathode(-)), die fr den Elektronentransfer sorgen und mitunter katalytische Eigenschaften besitzen. Diese werdenvom Elektrolyten getrennt, in dem es in Folge einer extern angelegten Spannung zu einer gerichteten Elek-tronenbertragung bzw. Ionenbewegung kommt.Grundstzlich sind alle Arten chemischer Reaktionen mit Elektronentransfer (Redoxreaktionen) fr denBetrieb einer Brennstoffzelle denkbar. Die grte Beachtung haben jedoch Verbrennungsreaktionen gefun-den. Dabei werden kontinuierlich ein gasfrmiger Brennstoff (H2, CH4,...) an die Anode sowie ein Oxida-tionsmittel (O2) an die Kathode gefhrt. Hierbei ist es fr eine grotechnische Umsetzung wichtig, dassdie Edukte handhabbar und transportfhig sind. So schliet sich bspw. die Umsetzung von Fluor (F2) mit

Wasserstoff (H2) trotz seines hohen elektrochemischen Potentials aus. Einerseits wrde die grotechnischeBereitstellung von Fluor enorme Energiemengen kosten. Andererseits ist die gebildete Flusure (HF) hochtoxisch und so aggresiv, dass sie weder in keramischen noch silikathaltigen Systemen aufbewahrt werdenknnte. Die kalte Verbrennung, bei der Wasser- und Sauerstoff zu Wasser reagieren, hat sich aus diesenberlegungen bewhrt. Da das Reaktionsprodukt Wasser ist, spricht man auch von einem Null-Emissions-Brennstoff (zero emission fuel). Doch auch hier muss darauf verwiesen werden, dass elementarer Was-serstoff nur durch energetisch sehr aufwendige Prozesse wie der Reformierung von Kohlenwasserstoffen(steam reforming: 800-900 C) oder der Elektrolyse von Wasser (4,5 kWh pro m3) gewonnen werden kann.Gnstig jedoch ist, dass Wasserstoff auch als Nebenprodukt diverser Produktionszweige abfllt. Problema-tisch sind weiterhin Lagerung und Transport des Wasserstoffes. Neben den klassischen und energieinten-siven Methoden, es als Gas zu komprimieren oder unter sehr tiefen Temperaturen zu verflssigen, werdensichere Methoden basierend auf Chemi- und Adsorption an anorganischen Trgermaterialien in der aktuel-len Forschung entwickelt1.Eng verbunden mit der Wahl des Brennstoffes und des Oxidationsmittels ist auch die Wahl der Elektrodenund der Elektrodenstruktur. Die Elektrode erfllt mehrere Funktionen. An ihrer Oberflche findet whrendder Reaktion zwischen Gasphase und Elektrolyt der Elektronentransfer statt. Dabei stellt die Elektrode einephysische Barriere zwischen Gasphase und Elektrolyt dar. Die Ionen mssen zur Phasengrenzflche ge-langen und auch von dort weg transportiert werden. Gleichzeitig ist die Elektrode ein Katalysator fr die

1In der Reihe 6 aus Fortschritt-Berichte VDI in Nummer 476 werden einige dieser Technologien ausfhrlich beschrieben.

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chemische Reaktion. Daraus ergeben sich verschiedene Anforderungen an das Elektrodenmaterial und ihre

Struktur: eine gute elektrische Leitfhigkeit bzw. katalytische Aktivitt sowie ein leichter Elektronentrans-fer. Die Leistungsfhigkeit einer Elektrode wird daher ber ihre Ansprechzeit bestimmt.Die katalytische Funktion ist besonders fr Niedertemperaturbrennstoffzellen ein wichtiges Kriterium, dahier die fr die Reaktion notwendige Aktivierungsenergie weniger verfgbar ist.Die makroskopische Struktur der Elektrode sollte pors sein. So knnen in Folge groer Oberflchen hoheStromdichten erreicht werden. In Wasserstoff-/Sauerstoffsystemen kann die geringe Austauschstromdichteder Sauerstoffreaktion umgangen werden, indem katalytisch wirksame Elektroden von hoher Porositt ein-gesetzt und damit der Grenzstrom vergrert wird. Zudem gewhrleistet die Porositt den Transport vonReaktanten von und zur 3-phasigen Grenzflche zwischen Reaktant (Gasphase), Elektrolyt (flssige Phase)und Katalysator (Elektrode, feste Phase).

Abbildung 2: Grenzflche einer Wasserstoffelektrode

Besonders die Phasengrenzflche spielt fr die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle eine kriti-sche Rolle, insbesondere bei Brennstoffzellen mit flssigen Elektrolyten. Hier diffundieren die gasfrmigen

Reaktanten durch einen dnnen Elektrolytfilm, der Teile der porsen Elektrode befeuchtet und reagieren ander Elektrodenoberflche. Enthlt die Elektrode eine bermige Menge des Elektrolytes, knnte die Elek-trode "berschwemmt"werden und den Transport der Gase in der Elektrolytphase zum Reaktionsort hem-men. Die Konzentrationsgegenspannung steigt stark an. Andererseits knnte die Elektrode austrocknen,wenn das Gas nicht schnell genug umgesetzt wird. Die Konsequenz ist in beiden Fllen eine Leistungsver-ringerung. Die dritte wichtige Komponente einer Brenstoffzelle ist ihr Elektrolyt, welcher zu einer eigenenKlassifizierung fhrt und daher im folgenden Abschnitt 7 ausfhrlicher betrachtet wird. Die kontinuier-

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liche Betriebsweise von Brennstoffzellen fhrt dazu, dass diese, so lange Brennstoff zugefhrt wird, nicht

durch eine Kapazitt limitiert sind. Ein Lade- oder Entladezustand, wie er fr Batterien und Akkumulatorenzutrifft, existiert nicht. Damit sind sie auch heute noch Forschungsgegenstand in all ihren Komponenten.

6 Wirkungsgrad von Brennstoffzellen

Der Wirkungsgrad entspricht dem Verhltnis aus geleisteter Arbeitwund zugefhrter Energieq.

= w

q

Als geleistete Arbeit kann die elektrische Nutzarbeitweund als zugefhrte Energie die freigesetzte Reakti-onswrme, die Reaktionsenthalpie

RH, angenommen werden. Der elektrische Wirkungsgrad

eist daher:

e = weRH

Die maximale (Nichtvolumen-)Arbeit, die das System bei reversibler Reaktionsfhrung leistet, ist durchdie freie Reaktionsenthalpie RG definiert. Daher wird der "theoretische elektrische Wirkungsgrad", auchGIBBSscher WirkungsgradG, wie folgt definiert:

G= RGRH

=zFE

RH

Der Tabelle [Abb. 3] kann man entnehmen, dass der GIBB Ssche Wirkungsgrad fr chemische Reak-tionen mit negativer Reaktionsentropie und positiver Reaktionsenthalpie einen Wert oberhalb von 100%annehmen kann. Ursache ist die willkrliche Definition des elektrischen Wirkungsgrades, die ein abge-schlossenes System voraussetzt, was aber in den beschriebenen Fllen nicht mehr zutrifft. Allerdings kannman mit dieser Definition den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle mit dem einer Wrmekraftmaschine ver-gleichen. Wie das CARNOT-Theorem beweist, kann der Wirkungsgrad einer im Kreisprozess arbeitendenWrmekraftmaschine als das Verhltnis von geleisteter Arbeit zu zugefhrter Wrme definiert werden. Dar-aus ergibt sich fr eine zwischen den TemperaturenTwund Tkarbeitende Wrmekraftmaschine:

= |w|

|q| =

TwTkTw

=1 TkTw

Der CARNOTsche Wirkungsgrad einer Wrmekraftmaschine steigt mit der Temperaturdifferenz. Das ver-

deutlicht die Notwendigkeit hoher Dampftemperaturen bei Turbineneintritt sowie des Einsatzes von Kon-densatoren in konventionellen Kraftwerken. Da die Reaktionsenthalpie und -entropie nur schwach von derTemperatur abhngen, ergibt sich im Vergleich des GIBBSschen Wirkungsgrades einer H2/O2-Brennstoffzellemit dem CARNOTschen Wirkungsgrad einer Wrmekraftmaschine folgendes Bild:

Die Brennstoffzelle besitzt unterhalb 1000 K einen hheren Wirkungsgrad als die Wrmekraftmaschine.

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(a)

(b)

Abbildung 3: GIB Bscher WirkungsgradGund Zelltyp[4]

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Abbildung 4: Vgl. CARNOTscher mit GIBBSschen Wirkungsgrad

Oberhalb 1000 K kehrt sich das Verhalten um. Allerdings muss bercksichtigt werden, dass hier nur theo-retische Werte verglichen werden, welche in beiden Fllen nie erreicht werden (Verluste durch berspan-nungen, Wrmeentwicklung, Reibung, etc.). Zur Beschreibung der Effizienz der elektrochemischen Ener-gieumwandlung eines realen Systems nutzt man daher den energetischen Wirkungsgrad U, der auch alsSpannungswirkungsgrad oder elektrochemischer Wirkungsgrad bekannt ist.

U=zFU

RG =

U

E

Neben der elektrischen Polarisation bzw. berspannung fhrt eine unvollstndige Brennstoffausnutzung,vor allem in Folge von Undichtigkeiten und ablaufenden Nebenreaktionen, zu Verringerungen des Wir-kungsgrades. Diese Verluste werden als "Leckstrme"bezeichnet. Zusammengefasst werden sie im Strom-wirkungsgrad oder FARADAYschen WirkungsgradF. Dabei wird die gemessene StromstrkeIauf die theo-retisch mgliche bezogen, die mit Hilfe des 1. FARADAYschen Gesetzes aus dem zugefhrten Brennstoff-massenstrom berechnet werden kann:

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F = IImax

Fr effektiv arbeitende Zellen sollte dieser Wirkungsgrad nahe 1 sein. Unter Bercksichtigung aller hierbesprochenen Wirkungsgrade und der Einfhrung eines zustzlichen SystemwirkungsgradesSys fr allein der Peripherie arbeitenden Komponenten, kann damit auch der Gesamtwirkungsgrad des Systemesformuliert werden:

= SysUFG

In der Praxis ist man bestrebt, eine Brennstoffzelle bei hoher Leistung, also hohen Stromstrken, zu betrei-ben. Mit steigender Stromstrke nimmt der elektrische Wirkungsgrad jedoch ab und der Anteil an ther-mischen Verlusten steigt. Im Brennstoffzellstapel kann es verstrkt zu Leckstrmen kommen, wodurchdort der FARADAYsche Wirkungsgrad sinkt. Hufig erfordert ein Stapel auch mehr Peripherie als eineEinzelzelle, so dass sich dort auch der Systemwirkungsgrad bei kleinen Strmen strker auswirkt.

7 Einteilung der Brennstoffzellen

7.1 bersicht

Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen(PEMFC - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell bzw. Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Alkalische Brennstoffzellen(AFC - Alkaline Fuel Cell)

Phosphorsure Brennstoffzellen(PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell)

Schmelzkarbonat Brennstoffzellen(MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell)

Oxidkeramische Brennstoffzellen(SOFC - Solid Oxide Fuel Cell)

Direkt-Methanol Brennstoffzellen(DMFC - Direct Methanol Fuel Cell)

In dem Buch "Brennstoffzellen"[4]

beschreibt ANGUSMCDOUGALLeine Vielzahl von Brennstoffzelltypen.Dort finden sich auerdem detaillierte Informationen zu Elektrodenmaterialien und Elektrolyten. Nebendem Elektrolyt unterscheidet man diese Typen auch nach den maximalen bzw. durchschnittlichen Betriebs-temperaturen. Diese erstrecken sich von 80. . . 180C fr die PEMFC, ber 100C fr AFC, 200C fr PAFC,650C fr MCFC bis 600.. . 1100C fr die SOFC. In Niedertemperaturbrennstoffzellen sind hauptschlichProtonen oder Hydroxydionen die Ladungstrger. Als Brennstoff wird vornehmlich Wasserstoff eingesetzt.Dabei kann es jedoch vorkommen, dass das bei der Reaktion entstehende Wasser aus der Zelle abgefhrt

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