Brennstoffzelle

• elektrochemischer Wandler, der den Brennstoff direkt in elektrische Energie umwandeln kann -> kein Umweg über Dampferzeugung,Turbine,Generator nötig (kein Carnot)

• zeichnet sich durch relativ hohe Wirkungsgrade und kleine Leistungen aus (30-50%)

• häufig wird Wasserstoff in Verbidnung mit einem Platinkondensator eingesetzt -> Raumtemperatur führt zu ausreichender Geschwindigkeit

• Brennstoffzellen zählen zu den galvanischen Elementen

• Funktion einer galvanischen Zelle beruht auf Redox-Reaktion -> Reduktion und Oxidation finden räumlich in je einer Halbzellegetrennt statt

• A+B < = > wird in zwei Teilreaktionen zerlegt, die an den räumlich getrennten Elektroden stattfinden

• Differenz im elektrochemischen Potentials ist jene Kraft, die zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird -> Durch Verbinden der Halbzellen durch einen Elektronenleiter (e-) und einem Ionenleiter (H+) wird der Stromkreis geschlossen

• Brennstoffzellen vorallem im Teillastbereich deutlich über Carnotwirkungsgrad

• Im Betrieb wird kontinuierlich gasförmige Brennstoffe (Wasser,Erdgas) und Luft als Oxidanten zugeführt -> Reaktionspartner sind durch einen ionenleitfähigen, dichten und nicht elektronenleitenden Elektrolyten räumlich getrennt -> Elektrolyt auf beiden Seiten mit Elektroden (Andode und Kathode) beschichtet

• Durch Elektronenaufnahme oder -abgade an den Elektroden entstehen Ionen für die der Elektrolyt durchlässig ist

• Elektronen wandern durch Elektrolyt zur anderen Elektrode, wo sie unter Elektronenabgabe oder -aufnahme zum Endprodukt reagieren

• Eletronenaustausch zwischen Elektroden geschieht über einen äußeren Stromkreis

Gesamt: 2*H2 + O2 < = > 2*H2O

Anode: 2*H2 < = > (4H+) + e-

Kathode: O2 + (4H+) + e- < = > 2*H20

• PEM: Elektrolyt ist eine Polymermembran (Nafion), Abreitsbereich zwischen 20 und 100°C -> optimal 80°C

• Membran erst Ionenleitfähig wenn angefeuchtet -> Anodengas H2 wie Kathodengas O2 werden angefeuchtet

• Dreiphasengrenze: Aufeinandertreffen von Gas, Elektrode und Elektrolyt

  • Anodenseitig wird Wasserstoff zu einem Proton oxidiert -> bewegt sich Richtung Kathode und reagiert dann mit Wasserstoff und Elektronen zu Wasser

• Produktwasser muss kontinuierlich abgeführt werden

• erheblicher Teil der chem. Energie wird direkt in Elektrizität gewandelt -> Rest wird als Wärme frei

Zellspannung, die sich zwischen Anode und Kathode einstellt, ist von der Gaszusammensetzung an den Elektroden, der Temperatur und dem Druck abhängig.

Wasserstoff Sauerstoff betriebene Brennsstoffzellen reagieren exotherm zu Wasserstoff

Aus der Reaktionsenthalpie ergibt sich die Heizspannung zu:

-> Reaktionsenthalpie kann aufgrund der Entropieänderung (Änderung der Molekühle -> Verdichtung) nicht ganz genutzt werden!

-> Über die Freie Reaktionsenthalphie (ΔG = ΔH - T*ΔS) ergibt sich die Gibbs´sche Spannung: (max Arbeit)

-> Um die tatsächlich erreichbare Spannung zu erhalten, müssen die Partialdrücke der einzelnen Komponenten berücksichtigt werden -> man erhält die Nernst´sche Spannung:

Thermodynamischer Wirkungsgrad:

-> Verhältnis aus Nernst´scher- und Heizwertspannung

Spannungswirkungsgrad: (Berücksichtigung realer Verluste)

->Aktivierungs- und Konzentrationsüberspannung, Ohm’sche Verluste beinflussen die Leerlaufspannung

Stromwirkungsgrad oder Ausnutzungsgrad:

-> Stromwirkungsgrad steht prinzipiell für Brennstoffausnutzungsgrad einer Zelle

-> 100% Umsatz wegen langen Verweildauern ausgeschlossen

Elektrischer Wirkungsgrad:

Multiplikation alles Wk ergibt den Stromwirkungsgrad:

Wird eine Brennstoffzelle in Betrieb genommen so fließt Strom -> dieser Strom unterliegt nicht nur thermodynamischen Verlusten -> weitere Verlustmechanismen bzgl der Stromdichte lassen die Arbeitspannung sinken -> werden Überspannungen gennant.

Aktivierungsüberspannung: (bei geringen Stromdichten überwiegend)

• Geschwindigkeit der Ladungstrennung der Elektroden ist begrenzt und abhängig vom verwendten Katalysator

• Hochtemp.brennstoffzellen zeigen wegen Betriebstemp von 900°C quasi keine Aktivierungsüberspannung -> da die Temperatur die Aktivierungsenergie, für die Ladungstrennung beinflusst

Ohmsche Verluste: (Bei hohen Stromdichten bemerkbar)

• Grund ist der elektrische Widerstand der Zelle (U=R*I)

• Infolge von Elektronenbewegung entsteht Wärme -> linearer Zusammenhang zu Stromdichte und ΔU_r

Konzentrationsüberspannung: (Bei noch höheren Stromdichten)

• Ab- und Zufuhr von Produkten und Reaktanden eingeschränkt, durch Bildung einer Stoffgrenzschicht

-> P = U * I durch ablesen der Arbeitspunkt

-> Spannungsverluste subtrahiert ergeben die reale Betriebsspannung

-> elektrischer Wirkungsgrad gegeben durch:

-> steigende und dann strak fallende kurve ist die Leistung in Abhänigkeit des Stroms

• Alkalische Elektrolyse: 40-90°C

• PEM Elektrolyse: 20-100°C

• Festoxidelektrolyse (SOEC): 700-1000°C

PEM: