Fichas

Brennstoffzellen

Lukas Berger Management erneuerbare Energien Alemán 24 fichas

Fichas del conjunto (24)

1wann ist die Brennstoffzelle erst wirtschaftlich sinnvoll? Was ist das Problem derzeit?Sinnvoll nur bei regenerativer Wasserstofferzeugung!
Reg. H2 derzeit noch nicht verfügbar!
Hoher Energieinhalt (Heizwert), aber niedrige Speicherdichte!
2Welche 7 Möglichkeiten der Wasserstoffherstellung gibt es?
33 Verfahren der Elektrolytischen Wasserstofferzeugung:• alkalische Elektrolyse
• Membranelektrolyse
• Hochtemperatur-Dampf-Elektrolyse (T > 700 °C)
4—
5Wie funktioniert die Brennstoffzelle?Umgekehrte Elektrolyse:
H2 spaltet an der Anode ein Elektron ab und wird zu H+
das Elekron wandert rüber zur Kathode und erzeugt dadurch elektr. Strom über aüßeren Stromkreis -> Gleichstrom!
Bei der Kathode nimmt O2 ein Elektron auf und wird zu O2-
Durch die Membran treffen sich O2- und H+ -> H2O ensteht und Wärme wird dadurch abgegeben!
6Was sind die Anforderungen an Elektroden und Elektrolyt?Elektroden:
• elektrische Leitfähigkeit
• „Porosität“ (Zufuhr und Abfuhr der Reaktanden und Reaktionsprodukte,
Transport der erzeugten Elektronen)
Elektrolyt:
• Gasdichtigkeit
• Flüssigkeit, Schmelze
oder Festkörper
• bestimmt Zellentemperatur
• Unterteilung
Brennstoffzellen
nach Elektrolyttyp
(sechs Typen)
7Was genau passiert an Anode und Kathode:
8Wie wird der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bestimmt? welche realen Gesamtwirkungsgrade sind möglich? Aufteilung des Wirkungsgrads ηBZ in Teilwirkungsgrade:Bestimmung des Wirkungsgrades aus der abgegebenen elektrischen
Leistung P, dem Heizwert des Anodengases Hu und dessen
Massenstrom m:
Reale Gesamtwirkungsgrade bis > 60 % möglich!
9Typische Zahlenwerte und Kenngrößen von Wasserstoff-Sauerstoff-FC bei Normbedingungen:
10Elektrische Spannung in der realen Brennstoffzelle, Eigenchaften:• liegt unterhalb der reversiblen Zellspannung Urev
• nimmt mit zunehmenden Strom ab
• Durchtrittsverluste ΔUD schon bei kleinen Strömen (Durchtritt von
Elektronen durch Phasengrenzfläche zw. Elektrode und Elektrolyt)
• Absinken der Spannung wg. Innenwiderstand ΔUR
• Bei großen Strömen Zuführung der Reaktanden limitiert → Diffusionsverluste
ΔUDiff (→ Zusammenbrechen der Zellspannung!)
11Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle:
12—• höchster Zellwirkungsgrad bei Nulllast
• el. Zellleistung (P = UI): Leistungsmaximum kurz vor rapiden Anstieg
der Diffusionsverluste
• → bei Systemauslegung ist Kompromiss zwischen
hoher Leistungsdichte und
hohem Wirkungsgrad
gefragt!
13Brennstoffzellentypen: Unterscheidung nach Temperaturbereich und Art des Elektrolyten: Je nach Typus und Temperaturbereich unterschiedliche Brenngase und Oxidationsmittel.
14Brennstoffzellentypen und deren Typ, Brenngas(Anode), Elektrolyte, Betreibstemp., Oxidant(Katode)
15Wasserstoffgewinnung durch Reformierung (Vergasung) von Methan:
16Wie funkt. die Abtrennung von CO2? Was für eine Möglichkeit gibt es um H2 abzutrennen?• Wäsche mit Aminen; z.B. - Ethanolamin (Lurgi)
- N-Methylpyrrolidin (Lurgi)
• Wäsche mit Polyethlylenglykol-Dimethylether
• Druckwechseladsorption an Molekularsieben
• H2-selektive Membranen (Palladium/Silber auf Keramikträgern)
17Alkalische Brennstoffzelle (AFC) Eigenschaften:• seit den 1950‘ zu technischer Reife entwickelt (Raumfahrt, Militär)
• Betriebstemperaturen von 20 – 90 °C
• Platin als Katalysator (Elektroden)
• Elektrolyt meist verdünnte Kalilauge
• sehr empfindlich gegen
CO und CO2
• bei Betrieb mit CH4
aufwendiger Reinigungsprozess
H2
• hoher Wirkungsgrad
aber teuer
→ nur Spezialanwendungen
18Membran-Brennstoffzelle (PEFC, PEMFC) EIgenschaften:• Elektrolyt aus protonenleitender Folie (Basis: perfluorierte und
sulfonierte Polymere; sauer!)
• Betriebstemperaturen ca. 60 - 80 °C
• Platin als Katalysator, Gasdiffusionselektroden
• empfindlich gegen CO
• bei Betrieb mit CH4
aufwendiger Reinigungsprozess
H2
Hauptvorteil:
Elektrolyt nicht korrosiv
Hohe Energiedichte
Am häufigsten verwendete FC
19Wie kann man die Leistungsdichte erhöhen? Anwebdungsbereiche sind: WO hat die FC ihr größtes Potential?Durchströmung der FC mit Gas
größte Anwendungspalette vom mW, W - Bereich (z.B. Handy, Laptop)
über mittleren Leistungsbereich (100 W – kW; z.B. Notbeleuchtung,
Notstromversorgung) bis zu stationären Anwendungen (bis 250 kWel;
BHKW)
größtes Potential
zur Anwendung in
PKW (v.a. DMFC mit
Betriebstemp.
um 180 °C)
20Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) EIgenschaften:Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)
• Wasserstoff-FC, Elektrolyt (verdünnte Phosphorsäure) nur für H+ leitfähig
• Einbinden der Säure in poröse Matrix (z.B. Platten aus Graphit,
Siliziumcarbid oder Asbest)
• Betriebstemperaturen ca. 200 °C
• Platin als Katalysator
• empfindlich gegen CO
• bei Betrieb mit CH4
vollständige ShiftReaktion
nötig
• kostengünstigste FC
• stationärer Einsatz
• el. Wirkungsgrad ca. 40 %
• Abwärmenutzung
21Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Eigenschaften 1.:• Elektrolyt aus Karbonatschmelze (meist ca. 60 % Lithiumcarbonat,
40 % Kaliumcarbonat)
• Karbonatmischung wird über 500 °C flüssig → leitfähig für Karbonationen
(CO3)2-
• Anodenreaktion: (CO3)2- → 2 e- + CO2 + ½ O2
• Regeneration (CO3)2- Ionen nötig →
Zuführung CO2 zur Kathode
• Betriebstemperatur ≈ 650 °C
• kein Katalysator nötig
• teilweise Reformierung
noch nötig
22Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Eigenschaften 2.:• unempfindlich gegen CO und CO2
• sehr gute Eignung für Betrieb mit Methan / ger. Biogas
• hohe Arbeits- (Abgas) –Temperaturen → gute Eignung zur KWK (z.B.
Nahwärme, Prozessdampferzeugung)
• el. Wirkungsgrade bis 50 %
Gesamtwirkungsgrade > 90 %
• marktreife Systeme
23Oxidkeramische-Brennstoffzelle (SOFC) Eigenschaften:• Elektrolyt: keramischer Festkörper (meist Zirkoniumoxid dotiert mit ca.
20 % Yttriumoxid), oxidionenleitend
• Betriebstemperaturen 800 – 1000 °C
• chemische Umwandlung direkt in FC
• u.U. Vorreformierung (flüssige KW)
• kein Katalysator nötig
• unverbrannte Anodengase
zur Beheizung Zelle/Vorreformer
• rel. Einfacher Systemaufbau
• hohe Betriebstemperaturen
→ gute Eignung zur KWK
bzw. zur Gaserhitzung
für Gasturbinen
• Wärmedehnungen und –spannungen → neben planaren Zellenstapeln
auch tubulare Konzepte
• Verbund von einseitig geschlossenen Röhren → innen Luft, außen
Brenngas
• höhere Leistungsdichten, geringere Fertigungskosten
Generell: SOFC noch im Entwicklungs- Markteinführungsstadium!
24Gebäudebeheizung / Stromerzeugung mit Brennstoffzellen:• Breit angelegte Praxistests in Haushalten abgeschlossen
• PEM und SO Zellen erprobt
• aktuell Markteinführung