Part I

Δ𝐺(𝑇) = Δ𝐻(𝑇) −𝑇Δ𝑆(𝑇)

Verfügbare Energie unter Vernachlässigung von Druck / Volumenänderung

Bei T < 100°C:

E = -1,48 V

• Aktivierungsenergie

• Ohm’sche Verluste

• Überkonzentration

• größere (Ober-)Fläche, Poren

• geringerer Abstand

• PEMWE (Proton Exchange Membrane Water Electrosyser)

• AWE (Alkaline Water Electrolyser)

• AEMWE (Anion Exchange Membrane Water Electrolyser)

• SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell)

• (PCCEL) Proton Conducting Ceramic Electrolyser

Ein Gerät, das einen Brennstoff über chemische Reaktionen direkt zu Elektrizität umwandelt

• thermodynamischer Wirkungsgrad: welcher Anteil der Enthalpie kann unter Idealbedingungen in Nutzarbeit umgewandelt werden ==> Delta H / Delta G

• Spannungswirkungsgrad: berücksichtigt das kinetische Verhalten (==> Polarisationskurve) berechnet sich der Zellspannung geteilt durch die reversible Spannung

• Treibstoffwirkungsgrad: berücksichtigt, dass nicht 100% des Treibstoffs umgewandelt wird und stöchiometrisch mehr Treibstoff in die Brennstoffzelle gegeben wird ==> 1/λ

1. Adsorption von O₂

2. O₂ Dissoziation (O₂ —> 2O)

3. OH Bildung

4. H₂O Bildung

5. Desorption

Zu starke Bindung: Desorption limitiert die Katalysatorwirkung

Zu schwache Bindung: Reaktion limitiert die Katalysatorwirkung

—> Optimum in der Mitte: Platin

Auf der Nafion Membran liegt ein Carbontuch, welches gleichzeitig als Gasdiffusionsschicht und Trägermaterial des Katalysators wirkt. An den Stellen, an denen Nafion, der Katalysator und Gas aufeinandertreffen, findet die Reaktion optimal statt.

Die Proton anziehenden Stellen geben die Protonen an sich weiter und das Proton wird dadurch durch das Material geleitet.

• gute Protonenleitung

• chemisch stabil

• thermische Stabilität ok (bis 100 °C, danach Eigenschaften nicht mehr optimal für FC)

• stark sauer

• Hohe Wasserleitung

ABER: PFAS im Wasser —> Nachbehandlung nötig

• Alkaline (AFC)

• Proton exchange membrane (PEMFC)

• Direct Methanol (DMFC)

• Phosporic Acid (PAFC)

• Molten Carbonate (MCFC)

• Solid Oxide (SOFC)

Fun Facts zu PEMFC

• Transportiertes Ion: H+

• Elektrolyt: Polymermembran (Nafion)

• Temp: 30 - 100 °C

• Application: Fahrzeuge und Mobile ASnwendungen, kleinere combined Heat and Power (CHP)

• primär: irreversibel (Batterien)

• sekundär: reversible Reaktion in der Zelle (Akkumulatoren)

• tertiär: kontinuierlicher Betrieb möglich, Trennung von Speicher und Energieumwandlung (Brennstoffzelle)

Kathode - Anode

[q] = C/mol

[w] = J/mol

[E] = V

eta_k: Activation polarisation & Conc. polarisation

Hohe Energiedichte, gefährlich bei Schäden:

• Lithium Kobalt Oxid (LiCoO2)

Geringere Energiedichte, sicherer:

• Lithium Eisen Phosphat (LiFePO4)

• Lithium-Ion Mangan Oxid (LMnO)

• Lithium Nickel Mangan Kobalt Oxid (LiNiMnCoO2 ) ("NMC")

Nischen-Anwendung:

• Lithium Nickel Kobalt Aluminium Oxid (LiNiCoAlO2) ("NCA")

• Lithium Titan (Li4Ti5O12), ("LTO")

• Energie <-> Leistung

• Energiedichte <-> Lebensdauer (bei Nutzung, da Betrieb außerhalb des thermodynamisch stabilen Bereiches)

Meistens zwei von den Punkten

• Leistung / Energie

• Kosten

• Lebensdauer

• Sicherheit

gleichzeitig erreichbar

• Rund

• prismatisch

• Pouch

P = D * K

D = Diffusionskoeffizient

K = Gassorptionskoeffizient

Permeabilität als Funktion des molaren Volumens für gummiartige und glasige Polymere. Man erkennt verschiedene Gleichgewichte zwischen Sorption und Diffusion.

Selektivitäts-/ Permeabilitätslinien für wichtige Gase. Mit diesem Diagramm lässt sich am besten der Kompromiss zwischen Selektivität und Permeabilität abschätzen, wodurch sich die besten Membranen auswählen lassen.

• Hohe Effizienz, auch bei kleinen Systemen

• Keine beweglichen Teile => einfacherer Aufbau, weniger Verschleiß

• Emissionsarm

• Leiser Betrieb

Temperatur und Phase

Nernst-Gleichung für Gase, Wasserstoff - Sauerstoff zu Wasserdampf Reaktion

Aktivitäten durch Drücke (Idealgasnäherung) ersetzt

AWE: 9

PEM: 6-9

SOEC: 5