AK Brennstoffzellen der FH Köln und des VDI BV Köln 1 Institut für Landmaschinentechnik Institut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien und Regenerative Energien Die Die Brennstoffzelle Brennstoffzelle Theoretische Grundlagen, prinzipieller Aufbau, heute in der Entwicklung befindliche Brennstoffzellensysteme, ihr Entwicklungsstand und ihre speziellen Eigenschaften Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Wiesner AK Brennstoffzellen der FH Köln und des VDI BV Köln 2 Institut für Landmaschinentechnik Institut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien und Regenerative Energien Ziel der Brennstoffzellenentwicklung Ziel der Brennstoffzellenentwicklung Umweltbelastungen durch die Energienutzung sowie die Endlichkeit der Energiereserven erfordern eine effiziente und schadstoffarme Nutzung der Energieträger Vor diesem Hintergrund könnte die Brennstoffzelle einen wichtigen Beitrag als effizienter Energiewandler in der Umwandlungskette von Primärenergie zur Nutzenergie leisten. Bei einer auf regenerativer Energien basierenden zukünftigen Wasserstofftechnologie würde die Brennstoffzelle ein wesentliches Element darstellen
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Brennstoffzelle - TH Köln · Elektrolyt beschrieben z1894 Wilhelm Oswald Aufruf in den „Zeitschrift für Elektrochemiker“ zur Entwicklung der Brennstoffzelle z1944-1945...
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AK Brennstoffzellen der FH Köln und des VDI BV Köln1
Institut für LandmaschinentechnikInstitut für Landmaschinentechnikund Regenerative Energienund Regenerative Energien
DieDie BrennstoffzelleBrennstoffzelle
Theoretische Grundlagen, prinzipieller Aufbau, heute in der Entwicklung befindliche Brennstoffzellensysteme,
ihr Entwicklungsstand und ihre speziellen Eigenschaften
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Wiesner
AK Brennstoffzellen der FH Köln und des VDI BV Köln2
Institut für LandmaschinentechnikInstitut für Landmaschinentechnikund Regenerative Energienund Regenerative Energien
Ziel der BrennstoffzellenentwicklungZiel der Brennstoffzellenentwicklung
Umweltbelastungen durch die Energienutzung sowie die Endlichkeit der Energiereserven erfordern eine effiziente und schadstoffarme Nutzung der EnergieträgerVor diesem Hintergrund könnte die Brennstoffzelle einen wichtigen Beitrag als effizienter Energiewandler in der Umwandlungskette von Primärenergie zur Nutzenergie leisten.Bei einer auf regenerativer Energien basierenden zukünftigen Wasserstofftechnologie würde die Brennstoffzelle ein wesentliches Element darstellen
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Geschichte der BrennstoffzelleGeschichte der Brennstoffzelle
1839 Das Wirkungsprinzip der Brennstoffzelle wird von Sir William Grove an einer Wasserstoff-Sauerstoffzelle mit flüssiger Schwefelsäure als Elektrolyt beschrieben1894 Wilhelm Oswald Aufruf in den „Zeitschrift für Elektrochemiker“ zur Entwicklung der Brennstoffzelle1944-1945 Brennstoffzellenentwicklung für U-BooteAb 1964 bis heute Einsatz in der WeltraumfahrtSeit 1980 breite Entwicklung insbesondere für Antriebe (null-Emissionsfahrzeug Kalifornien)Seit ca. 5 Jahren Entwicklungen für stationäre Anwendungen als BHKW
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Theorie der Verbrennung Beispiel WasserstoffTheorie der Verbrennung Beispiel Wasserstoff
1. Wasserstoff
285,84 kJ/molHom
241 kJ/molHum
HChem. Zeichen
0,09 kg/m³Spez. Gewicht
10185 J/kg/KSpez. Wärme
2,01588 [g/mol]Molare Masse (H2)
1Ordnungszahl
elementar
molekular
H H
Reaktionspartner bei der Verbrennung:
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2. Sauerstoff
OChem. Zeichen
3,51kg/m³Spez. Gewicht
0,1969 Wh/kg/KSpez. Wärme
31,9988 g/MolMolgewicht
15,9994Atomgewicht
8Ordnungszahl
O O
molekular
elementar
Reaktionspartner bei der Verbrennung:
Theorie der Verbrennung: Beispiel WasserstoffTheorie der Verbrennung: Beispiel Wasserstoff
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OH2OH2 222 →+ HO
H
Theorie der Verbrennung Beispiel WasserstoffTheorie der Verbrennung Beispiel Wasserstoff
Verbrennungsprodukt: Wasser (dampf)
3000°C
Wasserstoffbrand am Luftschiff Deutschland in Lakehurst 1937
Frei gewordene Energie ca. 70 MWh
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Theorie der Verbrennung: Theorie der Verbrennung: StöchiometrischeStöchiometrischeVerbrennungVerbrennung
Russelektrode(d) Elektrolyt in den Nanoporen(e) PTFE-Partikel, die das hydrophobe
Porensystem aufbauen(f) Katalysator
Aus DECHEMA MONOGRAPHIEN
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Energiebilanz der BrennstoffzelleEnergiebilanz der Brennstoffzelle
QGH BZ +∆⋅η=∆
∆H Reaktionsenthalpie (79,4 Wh/mol)∆G die als elektrische Energie
nutzbare oder aufzuwendende Energie
Q die an die Umgebung abgegebene Wärmeenergie
GW BZm,el ∆⋅η= Wel,m=molare Reaktionsarbeit
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Erzeugte elektrische EnergieErzeugte elektrische Energie
[ ]secWtIUtPW m,el ⋅⋅=⋅=
[ ]secALentI ⋅⋅=⋅
U ist die maximal zur Verfügung stehende Spannung bei ∆G=237 kJ/mol
Mit L=Loschmidt‘scher Zahl = Zahl der Teilchen pro Mol L=6,023E+23 1/Molund n als Zahl der an der Reaktion beteiligten Elektronensowie e=Elementarladung = 1,602E-19 Asec
[ ]VLen
GLen
tPU⋅⋅
∆=
⋅⋅⋅
=
Für den reversiblen Fall η=1 gilt:
U=1,2 V Durch die internen Irreversibilitäten ist die tatsächliche Betriebsspannung geringer
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Typischer Wirkungsgradverlauf einer BrennstoffzelleTypischer Wirkungsgradverlauf einer Brennstoffzelle
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100Lastfaktor [%]
Ges
amtw
irkun
gsgr
ad [%
]
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BrennstoffzellenstapelBrennstoffzellenstapel
in sogenannter Filterpressenbauweise
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Brenngasbereitstellung durch ErdgasreformierungBrenngasbereitstellung durch Erdgasreformierung
Bisherige erprobte und bewährte Brennstoffzellen basieren auf Wasserstoff als BrennstoffIn Zukunft könnte Wasserstoff als indirektes Speichermedium für regenerative Energien zur Verfügung stehenZur Zeit müssen bei großflächiger Nutzung der Brennstoffzelle Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.Der für die Brennstoffzellen verträgliche Wasserstoff muss durch vorgeschaltete Reformierungsprozesse gewonnen werden
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Brenngasbereitstellung durch ErdgasreformierungBrenngasbereitstellung durch Erdgasreformierung
1. Dampfreformierung
Mol/kJ206H3COOHCH 224 ++→+Im Reformer bei 800°C
Mol/kJ165H4COOH2CH 2224 ++→+
2. Autotherme ReformierungMol/kJ36H2COOCH 222
14 −+⇔+
Mol/kJ319H2COOCH 2224 −+⇔+
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GasGas--Prozessor für Erdgas zur Wasserstoffversorgung Prozessor für Erdgas zur Wasserstoffversorgung von Membranvon Membran-- und phosphorsauren BZund phosphorsauren BZ
800 °C
Reformer CO-Konvertierung
400 °C
Hochtemperatur
200 °C
Niedertemperatur
100 °C
Selektive CO-Oxidation
PAFC
Luft
PE
MFC
222 HCOOHCO +→+
Mol/kJHCOOHCH 2063 224 ++→+
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Typisierung der BrennstoffzellenTypisierung der Brennstoffzellen
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Anwendung einer PEM BrennstoffzelleAnwendung einer PEM Brennstoffzelle
Videokamera mit Kleinbrennstoffzelle Entwicklung FHG ISE
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PEM Brennstoffzelle als KleinkraftwerkPEM Brennstoffzelle als Kleinkraftwerk
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PEM BrennstoffzellePEM Brennstoffzelle
Vorteile– In Kleinserien verfügbar– Niedertemperaturprozess– Einfacher Aufbau– Potential zur
kostengünstigen Fertigung– Gute
Lastwechseleigenschaften– Elektrolyt kann nicht aus
System entweichen
Nachteile– sehr empfindlich gegen
CO und CO2
– Zur Zeit noch teuer, insbesondere wegen Membranmaterial Nafion
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Die DirektDie Direkt--MethanolbrennstoffzelleMethanolbrennstoffzelle
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Methanolbrennstoffzelle auf PEM BasisMethanolbrennstoffzelle auf PEM Basis
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Methanolbrennstoffzelle auf PEM BasisMethanolbrennstoffzelle auf PEM Basis
Vorteile– Leicht verfügbarer
Brennstoff– Gleitende Penetration in
bestehende Versorgungssysteme möglich
– Einfacher Aufbau– Potential zur
kostengünstigen Fertigung
Nachteile– Zur Zeit noch teuer – Noch nicht für den
Serieneinsatz verfügbar– Noch nicht für den
Dauerbetrieb geeignet
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MethanolbrennMethanolbrenn--stoffzellestoffzelle mit mit dampfförmiger dampfförmiger BrennstoffBrennstoff--versorgungversorgung
Andere MethanolbrennstoffzellenAndere Methanolbrennstoffzellen
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Andere MethanolbrennstoffzellenAndere Methanolbrennstoffzellen
In der Methanolbrennstoffzelle finden komplexe Umsetzungsreaktionen statt, da der Kohlenstoff abgetrennt und als CO2 aus dem Systementfernt werden muss:
1. Absorption von Methanol an die Katalysatorfläche2. Schrittweise Separation zunächst des C-gebundenen, dann des O-
gebundenen Wasserstoffs zu Protonen3. Bildung eines CO Adsorbats Pt-COads4. Adsorption von Sauerstoff aus Wasser unter Bildung von Pt-OHads5. Weiterreaktion von PT-OHads mit COads unter Bildung von CO2
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HotHot--SpotSpot--ReaktorReaktorzur Erzeugung von zur Erzeugung von Wasserstoff aus MethanolWasserstoff aus Methanol