Die Brennstoffzelle

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Die Brennstoffzelle

• Energie der Zukunft?
• Christina Clemens,
• Thomas Arand

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Übersicht

• Geschichte
• Aufbau
• Chemie
• Verschiedene Arten der Brennstoffzelle
• Anwendungen in der Praxis
• Zukunft

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Geschichte

• Vor mehr als 160 Jahren entdeckte der Engländer
  William R. Grove das Prinzip der Brennstoffzelle.
  Erst in den vergangenen Jahrzehnten erlebt die
  Brennstoffzelle als "neue" Technik eine
  Renaissance.

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Aufbau der Brennstoffzelle

• Das bekannteste Beispiel für eine Brennstoffzelle
  ist die mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene
  Wasserstoff-Sauerstoff-BZ (Polymer Elektrolyt
  Brennstoffzelle (PEM), PEM-BZ. Sie gehört zu den
  Niedertemperatur-BZ.

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Aufbau der Brennstoffzelle
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Aufbau einer PEM-BZ

-
Nutzstrom
H2
O2 (Luft)
Luft/ H2O
H2
Elektrolyt (Membran)
Kathode
Anode
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Chemie am Beispiel der PEM

• Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird ein
  edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt,
  meistens handelt es sich hierbei um Platin. Mit
  Nafion als Membranmaterial.
• Erst die Zufuhr der Aktivierungsenergie, z.B.
  durch einen Funken, lässt die Reaktion ablaufen.
• Die hierbei stattfindende Aufladung der
  Elektroden bezeichnet man als Elektrodenpotential.
  

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Chemie am Beispiel der PEM

• Theoretisch lässt sich an einer
  PEM-Brennstoffzelle eine Ruhespannung von 1,23V
  messen.
• E E0(Kathode) - E0 (Anode)
• ? U E0 (Sauerstoff) - E0 (Wasserstoff) 1,23V
  - 0V 1,23V.
• Anode 2H2(g) ? 4H 4e-
• Kathode O2(g) 4 H 4e- ? 2 O2-
• Gesamtreaktion 2H2(g) O2(g) ? 2H2O(g)
• Die Brennstoffzelle kann je nach Typ und
  Brennstoff einen theoretischen Wirkungsgrad von
  70 bis ca. 100 erreichen
• Tatsächliche Wirkungsgrad liegt zwischen 20 und
  70.

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Wirkungsgrad
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Verschiedene Arten der Brennstoffzelle

• Polymer Elektrolyt Brennstoffzelle (PEM) (
  Polymer Electrolyte Fuel Cell)
• Alkalische Brennstoffzelle (AFC) (Alkaline Fuel
  Cell)
• Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC) (Phosphoric
  Acid Fuel Cell)
• Schmelzkarbonat Brennstoffzelle (MCFC) (Molten
  Carbonate Fuel Cell)
• Oxidkeramische Brennstoffzelle ( SOFC) (Solid
  Oxide Fuel Cell)
• Direkt Methanol Brennstoffzelle (DMFC) (Direct
  Methanol Fuel Cell)

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Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
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Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

• Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase
  Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in
  den Katalysator.
• Die Wasserstoffmoleküle werden durch den
  Katalysator gespalten.
• Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode
  und bewirken einen elektrischen Stromfluß.
• Jeweils vier Elektronen an der Kathode
  rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
• Die entstandenen Sauerstoff-Ionen reagieren mit
  Wasser zu OH- -Ionen.
• Die Hydroxid-Ionen wandern durch den Elektrolyten
  (Kalilauge) zur Anode.
• Die Hydroxidionen reagieren an der Anode mit den
  Protonen zu Wasser.Ein Teil des entstandenen
  Wassers wird wieder an die Kathode transportiert,
  wo es für eine weitere Reaktion zur Verfügung
  steht.

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Anwendung der AFC

• Alkalische Brennstoffzellen wurden in der
  bemannten Raumfahrt eingesetzt, die ohne die
  Brennstoffzellen nicht möglich gewesen wäre. Im
  Skylab und in den Space Shuttles wurden bzw.
  werden alkalische Brennstoffzellen eingesetzt.
• AFCs wurden auch für den Einsatz als
  Fahrzeugantrieb erprobt. Allerdings besteht hier
  der Nachteil, dass die AFC nicht mit Luft direkt
  betrieben werden kann.
• Dies ist ein genereller Nachteil der AFC. Das in
  der Luft enthaltene Kohlendioxid ist vorher zu
  entfernen, um eine "Vergiftung" des Elektrolyten
  zu vermeiden. Dies erfordert einen zusätzlichen
  technischen Aufwand.
• Mit reinem Sauerstoff betrieben verfügt die AFC
  allerdings über eine sehr gute Haltbarkeit, was
  sie insbesondere für Nischenanwendungen
  qualifiziert.

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Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC)
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Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)

• Auch bei dieser Brennstoffzelle werden die Gase
  getrennt in den Katalysator gegeben
• Die Protonen wandern durch den Elektrolyten
• Die Sauerstoff-Ionen geben ihre negativen
  Ladungen an die Protonen ab und oxidieren zu
  Wasser

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Anwendung PAFC

• Die PAFC wird ausschließlich für die
  Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt.
• Die PAFC war die erste kommerziell verfügbare
  Brennstoffzelle. In Einheiten mit einer
  elektrischen Leistung von 200 kW und einer
  thermischen Leistung von 220 kW wurde sie von der
  amerikanischen Firma ONSI angeboten. Bisher
  wurden weltweit rund 200 PAFC-Anlagen installiert.

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Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
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Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

• Der Sauerstoff und das Kohlendioxid an der
  Kathode und Wasserstoff an der Anode - wandern
  vom Gasraum in den Katalysator.
• Die Sauerstoff-Ionen reagieren mit Kohlendioxid
  zu Karbonat-Ionen.
• Die Karbonat-Ionen wandern durch den Elektrolyten
  (Salzschmelze) zu den Protonen
• Die Karbonat-Ionen geben Ladungen an zwei
  Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.
  Durch die Abspaltung der Sauerstoff-Ionen vom
  Karbonat entsteht wieder Kohlendioxid.

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Anwendung MCFC

• Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen werden für den
  stationären Einsatz entwickelt
• eignen sich besonders für die Kraft-Wärme-Kopplun
  g in industriellen und gewerblichen Anwendungen,
  wo hohe Temperaturen benötigt werden
  (Prozesswärme)
• Es werden Anlagen im Leistungsbereich von 300 kW
  entwickelt, aber auch größere Leistungen von
  mehreren Megawatt sind möglich
• Neben diesen stationären Anwendungen werden auch
  Schiffsantriebe auf der Basis von MCFCs
  entwickelt.

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Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)
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Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)

• Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase
  Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in
  den Katalysator
• Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen wandern
  durch den Elektrolyten (Yttriumdotiertes
  Zirkondioxid)) zur Anodenseite
• Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen
  Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit
  diesen zu Wasser

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Anwendung SOFC

• Festoxid-Brennstoffzellen sind sowohl für
  stationäre als auch für mobile Anwendungen
  geeignet.
• Stationäre Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung
  werden sowohl für Ein- und Mehrfamilienhäuser als
  auch für große Gebäude und gewerbliche oder
  industrielle Anwendungen entwickelt.
• Die Wärme kann auf einem hohen Temperaturniveau
  entnommen und als Prozesswärme genutzt werden.
• Daneben werden kleine Kraftwerke auf der Basis
  der SOFC entwickelt. Hier wird die Abwärme zur
  Stromerzeugung in Gasturbinen genutzt. Solche
  Kraftwerke sollen zukünftig Wirkungsgrade von 70
  erreichen können.
• Im mobilen Bereich werden SOFCs bisher nicht für
  den Fahrzeugantrieb entwickelt, sondern als
  Ersatz für die Fahrzeugbatterie. Der Grund liegt
  zum einen in der ständig steigenden Anzahl von
  elektrischen Verbrauchern im Auto, und zum
  anderen in der Möglichkeit, auch bei
  abgeschaltetem Motor über lange Zeit Strom zur
  Verfügung zu haben. Als Betriebsmittel dient
  Benzin, das vor der Brennstoffzelle einem
  technisch einfachen Reformer und einer
  Entschwefelung zugeführt werden muss.

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Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
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Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)

• Die getrennten Gase Sauerstoff Methanol und
  Wasser, wandern vom Gasraum in den Katalysator.
• Das Methanol reagiert mit dem Wasser zu
  Kohlendioxid und Wasserstoff.
• Die Protonen wandern durch den Elektrolyten
  (Protonenleitende Polymer-Elektrolyt-Membran) zur
  Kathode
• Jeweils vier Elektronen an der Kathode
  rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
• Die entstandenen Sauerstoff-Ion reagieren mit den
  Protonen zu Wasser.

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Anwendung DMFC

• Die Direktmethanol-Brennstoffzelle wird derzeit
  für kleine, tragbare Anwendungen entwickelt.
• Die Toxizität von Methanol erfordert ein sehr
  sicheres Speichersystem in Form von Patronen oder
  Kartuschen.
• Da derzeit weltweit intensiv an der DMFC
  entwickelt wird, ist in den nächsten Jahren mit
  einer breiten Markteinführung zu rechnen.
  Insbesondere im Bereich der mobilen Computer, wo
  die Akkulaufzeit weiterhin die größte
  Einschränkung bedeutet. Mit einer
  Methanol-Patrone rechnet man mit einer bis zu
  fünffachen Laufzeit gegenüber Akkus und der
  Wechsel der Patrone geschieht in Sekunden.
• Kaufen kann man bereits DMFC Systeme für den
  Campingbereich und für industrielle Notebooks.
  Insbesondere japanische Hersteller wollen in den
  nächsten 2-3 Jahren mit sehr kompakten Systemen
  auf dem Markt sein. Für den Einsatz im
  Mobiltelefon ist noch ein weiter Schritt in der
  Miniaturisierung notwendig. Bis dieser erfolgt
  ist, gibt es zumindest so genannte Power-Packs,
  mit denen lassen sich Akkus z.B. auch von
  Digitalkameras unterwegs nachladen.

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Anwendung in der Praxis

• In Krefeld wird der Energiebedarf einer ganzen
  Siedlung mit Brennstoffzellen gedeckt
• Dies ist ein europaweit einzigartiges Projekt

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Entwicklungsstand

• Vorteile Hoher Wirkungsgrad bei Voll- und (je
  nach Anwendung) bei Teillast der Brennstoffzelle
  Gute Regelbarkeit Hohe Stromkennzahl Gute
  Leistungsstaffelung durch modularen Aufbau
  Geringer zu erwartender Wartungsaufwand Geringe
  Schadstoff- und Lärmemissionen Hohes
  Entwicklungspotenzial
• Nachteile Hoher Investitionsaufwand Wenig
  Betriebserfahrungen Fehlender Nachweis hoher
  Lebensdauer Wenig Anbieter
• Die genannten Nachteile dürften allerdings
  zukünftig aufgrund weiterer Entwicklungsfortschrit
  te an Bedeutung verlieren. Vor allem bei den
  Investitionskosten wird mit einem deutlichen
  Rückgang zu rechnen sein, wenn die Systeme
  technisch optimiert sind und größere Stückzahlen
  produziert werden können

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Ausblick

• Was wird die Zukunft bringen?
• Werden auch aus ökologischer Sicht immer wichtiger

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Quellen

• www.die-brennstoffzelle.de
• www.innovation-brennstoffzelle.de
• www.brennstoffzelle-nrw.de