Flashcards
Brennstoffzellen
Flashcards do 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
Informações
- Descrição
- Energie und Umwelttechnik 2
- Criado por
- Lukas Berger · jan 2018
- Atualizado
- 14 jul 2018
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