Brennstoffzellen - Energie der Zukunft

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Brennstoffzelle Fortschritte gab es dann erst ab den 1920er Jahren diese ermöglichten es, 1963 die brennstoffzelle erstmals an Bord eines Gemini-Satelliten einzusetzen. Später wurde sie auch bei der Apollo Mondmission eingesetzt Brennstoffzellen - Energiewandler der Zukunft? Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche durch kontinuierliches Zuführen von Oxidations- und Reduktionsmittel chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Geschichte 1838: Christian Friedrich Schönbein erkennt mir Sir William Grove die Stromerzeugung durch Umkehrung der Elektrolyse 1875: Jules Verne betitelt Wasser als Kohle der Zukunft, welche Energieversorgung der Erde sichert 1887: Wilhelm Oswald treibt theoretische Entwicklung der Brennstoffzelle voran, aber trotz zahlreicher Konstruktionsvorschläge kein Durchbruch 1963: erstmaliger Einsatz der Brennstoffzelle in der Raumfahrttechnik Verwendung Raumfahrt Schifffahrt Luftverkehr Schienenverkehr Fahrzeuge (Autos, Busse,...) Flurförderfahrzeuge Brennstoffzellheizungen Aufbau und Funktionsweise (PEMFC-Brennstoffzelle) Wasserstill Elektrolyt Fő Gleichstrom Warmes Wasser Sauerstoff Saubere Erzeugung von Strom ܐܐܐ Wärme Emission: Wasser O₂ Hoher Wirkungsgrad Die Brennstoffzelle erzeugt gleichzeitig Strom und Wärme. Sie erreicht einen hohen elektrischen Wirkungs- grad und einen hohen Gesamtwirkungsgrad. Brennstoffzellen Energiewandler der Zukunft? STYB 154E VERWENDUNG wie bereits erwähnt sind Brennstoffzellen in der Raumfahrt sehr beliebt, da sie leichter und zuverlässiger als andere Methoden sind zudem gibt es Brennstoffzellenheizungen geeignet sind sie auch für Gabelstapler oder Hubwagen, welche aufgrund der Nutzung im Innenbereich nicht mit Verbrennungsmotoren betrieben werden dürfen auch im Luftverkehr, in der Schifffahrt oder im Schienenverkehr und natürlich bei Fahrzeugen was bei uns in Deutschland zwar noch nicht so ausgereift ist, 2019 wurden nur 386 Brennstoffzellenautos zugelassen aber in USA und Japan wurden insgesamt rund 10.000 Autos 2019 verkauft in Stuttgart werden Tests mit Bussen gemacht, welche durch Brennstoffzellen betrieben werden nicht durchgesetzt haben sich tragbare Brennstoffzellensysteme zum laden von Handy Akkus AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE Eine Brennstoffzelle besteht aus 2 Elektroden, meist Graphit oder Platin, welche durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Für die Reaktionen wird Sauerstoff und ein Brenngas, meist Wasserstoff oder auch Methan oder Methanol, benötigt. Die Funktionsweise erkläre ich jetzt anhand einer Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle, das ist die klassische Form einer Brennstoffzelle. In dem Bild hier ist eine PEMFC (Polymerelektrolytbrennstoffzelle) dargestellt. Die beiden Elektroden sind hier durch eine protonendurchlässige Polymermembran voneinander getrennt. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt und zu Protonen oxidiert. An der kathode wird Sauerstoff zugeführt, entweder in Form von Luft oder als reiner Sauerstoff. Die Protonen gelangen durch die Polymermembran zur Kathode. Dort reagieren sie mit dem reduzierten Sauerstoff und Elektronen zu Wasser. Damit die Zellspannung erhalten bleibt, müssen kontinuierlich Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden und das Wasser abgeführt werden. Neben der elektrischen Energie entsteht auch thermische Energie. Anode 2H₂ Kathode O₂ + 4H+ + 4e* → 2H₂O → 4H+ + 4e TYPEN VON BRENNSTOFFZELLEN Ich werde Euch jetzt die 5 Typen von Brennstoffzellen vorstellen, die am häufigsten eingesetzt werden. Gliederung 1. Überblick 2. Verwendung 3. Aufbau und Funktionsweise 4. Typen von Brennstoffzellen 5. Vor- und Nachteile Typen von Brennstoffzellen Name Polymerelektrolytb. Alkalische B. Direktmethanolb. Phosphorsäureb. Fetoxidb. Vor- und Nachteile Elektrolyt Schmelzkarbonatb. Schmelze von Lithium- und Kaliumcarbonat Vorteile H+ durchlässige Polymer- membran KOH ionen- durchlässige Membran Phosphorsäure keramischer, 0²- durchlässiger Werkstoff Reaktionsgleichungen Anode 2H₂ →→ 4H* + 4e Kathode O₂ + 4H+ + 4e → 2H₂O Anode 2H₂ + 4OH 4H₂O + 4e Kathode O₂ + 2H₂O + 4e 40H Anode CH₂OH + H₂O →6H* + 6e + CO₂ Kathode O₂ + 4H* + 4e → 2H₂O Anode H₂ + CO3² → H₂O + CO₂ +2e Kathode O₂ + 2CO₂ + 4e¯ → 2CO3²- Anode 2H₂ →→ 4H+ + 4e Kathode O₂ + 4H+ + 4e → 2H₂O Anode H₂ + O² → H₂O + 2e Kathode O₂ + 4e → 20²- es wird direkt elektrische Energie aus chemischer gewonnen hoher Wirkungsgrad Schadstofffrei (H₂O) geringer Geräteverschleiß leichter als Akkus, zuverlässiger und leiser als Generatoren Nachteile Temperatur 10-100°C 60-120°C 60-120°C 580-675°C 135-200°C 650-1000°C Brennstoff (Anode) zugeführt werden, Wasser immer abgeführt werden H₂ H₂ CH₂OH H₂ CH₁ H₂ H₂ CH₁ hohe Kosten hoher Bedarf an Energie zur Herstellung von Wasserstoff hohe technische Anforderungen alleine geringe Spannung Ausgangsstoffe müssen dauerhaft Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche durch kontinuierliches Zuführen von Oxidations- und Reduktionsmittel chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. 1 Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder kurz PEMFC Die Funktionsweise habe ich gerade schon erklärt. Bei dieser Brennstoffzelle handelt es sich um eine Niedrigtemperaturbrennstoffzelle, sie arbeitet bei 10-100°C und wird daher auch in Fahrzeugen verbaut. Der Ladungstransport erfolgt wie bereits erwähnt über die Protonen und beim Elektrolyt handelt es sich um eine Polymermembran. Vorteil ist, dass diese Brennstoffzelle beständig gegen CO2 ist, aber dafür sehr empfindlich gegenüber CO, Ammoniak oder Schwefelverbindungen reagiert. 2 Alkalische Brennstoffzelle AFC Bei der alkalischen Brennstoffzelle wird Kalilauge als Elektrolyt genutzt. An der Kathode wird Sauerstoff zu Hydroxid lonen reduziert, an der Anode wird Wasserstoff zu Protonen oxidiert. Anode 2H₂ + 4OH 4H₂O + 4e Kathode O₂ + 2H₂O + 4e* → 40H™ Nachteil dieser Brennstoffzelle ist, dass nur reiner Sauerstoff zugeführt werden darf, da sonst das Kohlenstoffdioxid aus der Luft mit Kaliumhydroxid zu Kaliumcarbonat-Niederschlag reagiert, was die Funktion der Zelle unwirksam macht. CO₂ + 2KOH →→ K₂CO3 + H₂O 3 Direktmethanolbrennstoffzelle DMFC Hier dient Methanol als Brennstoff und ander als bei der indirekten Methanolbrennstoffzelle wird der Alkohol direkt oxidiert und nicht erst zu H2 umgesetzt werden. Dabei finden folgende Reaktionen an den Elektroden bei einer Temperatur von 60-120°C statt: Anode CH₂OH + H₂O → 6H* + 6e + CO₂ Kathode O₂ + 4H* + 4e* → → 2H₂O Allerdings entsteht, wie man sieht bei dieser Brennstoffzelle neben Wasser auch Kohlenstoffdioxid. 4 Schmelzkarbonatbrennstoffzelle MCFC Arbeitet bei 580-675°C und als Elektrolyt wird eine Schmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat verwendet. An der Anode wird ein Gemisch aus CO und Wasserstoff, reformiert aus Methan zugeführt, wodurch die Rohstoffe für diese Brennstoffzelle relativ gering gehalten werden können Anode H₂ + CO3²- → H₂O + CO₂ +2e Kathode O₂ + 2CO₂ + 4e* → 2CO3²- 5 Phosphorsäurebrennstoffzelle PAFC Die Reaktionsgleichungen sind die gleichen, wie bei der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, nur dass hochprozentige Phosphorsäure als Elektrolyt genutzt wird und sie bei Temperaturen von 135-200°C arbeitet. 6 Festoxidbrennstoffzelle SOFC Diese Zelle ist eine Hochtemperaturzelle und arbeitet bei 650-1000°C. Als Elektrolyt dient ein fester Keramikwerkstoff, welcher Sauerstoffionen durchlässt. Die an der Kathode reduzierten Sauerstoffionen gehen durch den Werkstoff und reagieren mit den oxidierten Protonen der Anode zu Wasser. Nachteil ist, dass sich dadurch überschüssiges Brenngas und das Wasser vermischen. Anode H₂ + O² → H₂O + 2e Kathode O₂ + 4e → 20²- VORTEILE UND NACHTEILE Vorteile es wird direkt elektrische Energie aus chemischer gewonnen es entsteht zudem noch Wärmeenergie hoher Wirkungsgrad Schadstofffrei, es entsteht H₂O geringer Geräteverschleiß leichter als Akkus, zuverlässiger und leiser als Generatoren Nachteile ENDE hohe Kosten hoher Bedarf an Energie zur Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff ABER dafür könnte überschüssige Energie aus Windkraftanlagen genutzt werden, somit wird Wasserstoff zum Energiespeicher hohe technische Anforderungen alleine geringe Spannung man kann viele einzelne Zellen in Stacks zusammenschalten (Stapel) Ausgangsstoffe müssen dauerhaft zugeführt werden, Wasser immer abgeführt Brennstoffzellen bieten also gewisse Vorteile gegenüber anderen Energiewandlern, aber die Entwicklung der Brennstoffzellen ist noch nicht vollständig ausgereift und zudem noch sehr teuer. Damit möchte ich meinen Vortrag beenden und bedanke mich für Eure Aufmerksamkeit. Geschichte 1838 Christian Friedrich Schönbein erkennt mir Sir William Grove die Stromerzeugung durch Umkehrung der Elektrolyse 1887 Wilhelm Oswald treibt theoretische Entwicklung der Brennstoffzelle voran 1875 Jules Verne betitelt Wasser als Kohle der Zukunft, welche Energieversorgung der Erde sichern wird 1963 Erstmaliger Einsatz der Brennstoffzelle in der Raumfahrttechnik Verwendung Raumfahrt Schifffahrt Luftverkehr Schienenverkehr Fahrzeuge (Autos, Busse,...) Flurförderfahrzeuge Brennstoffzellheizungen STMG 154 Wasserstoff H₂ Anode H Elektrolyt H H₂O 02. H Gleichstrom Warmes Wasser Kathode H₂O Sauerst Aufbau & Funktionsweise 222 Anode: 2H₂- → 4H+ + 4e¯ Kathode: O₂ + 4H+ + 4e¯ →→→ 2 2H₂O Typen von Brennstoffzellen 1 Polymerelektrolytbrennstoffzelle PEMFC 2 Alkalische Brennstoffzelle AFC 3 Direktmethanolbrennstoffzelle DMFC Anode 2H₂ Kathode O₂ + 4H+ + 4e¯ → 2H₂O 2 → 4H+ + 4e¯ Anode 2H₂ + 40H 4H₂O + 4e Kathode O₂ + 2H₂O + 4e¯ →40H 2 CO₂ + 2KOH → K₂CO³ + H₂O 2 Anode CH₂OH + H₂O → 6H* + 6e¯ + CO₂ Kathode O₂ + 4H+ + 4e* → 2H₂O 2 Verwendung 4 Schmelzkarbonatbrennstoffzelle MCFC 5 Phosphorsäurebrennstoffzelle PAFC I 6 Festoxidbrennstoffzelle SOFC 2- Anode H₂ + CO₂² →→ H₂O + CO₂ + 2e² Kathode O₂ + 2CO₂ + 4e¯ → 2CO3²- 2 Anode 2H₂ → 4H+ + 4e¯ Kathode O₂ + 4H+ + 4e¯ 2 Anode H₂ + 0²- Kathode O₂ + 4e¯ → 20²- 2 2H₂O H₂O + 2e 2 Vorteile - - es wird direkt elektrische Energie aus chemischer gewonnen hoher Wirkungsgrad Schadstofffrei (H₂O) geringer Geräteverschleiß leichter als Akkus, zuverlässiger und leiser als Generatoren Nachteile hohe Kosten hoher Bedarf an Energie zur Herstellung von Wasserstoff hohe technische Anforderungen alleine geringe Spannung Ausgangsstoffe müssen dauerhaft zugeführt werden, Wasser immer abgeführt werden Danke für Eure Aufmerksamkeit! STY32543 Quellen https://de.m.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/geschichte/index.shtml http://www.iwr.de/cells/brennstoffzellen-infos.html https://www.energie-lexikon.info/brennstoffzelle.html https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/brennstoffzellen-heizung/was-sind-brennstoffzellen/ https://www.erdgas.info/neue-heizung/heizungstechnik/brennstoffzelle/funktionsprinzip-brennstoffzelle/ https://www.enbw.com/energie-entdecken/mobilitaet/brennstoffzellenantrieb/ Bildquellen Bild 1: https://www.wiwo.de/images/17c599_023/21102944/2-format1001.jpg Bild 2: https://www.hdg-gmbh.at/wordpress/wp-content/uploads/2016/09/4-BZH-300.jpg Bild 3: https://www.wiwo.de/images/17c599_023/21102944/2-format1001.jpg Bild 4: https://www.straschu-elektronikgruppe.de/wp-content/uploads/2015/10/Raumfahrttechnik.jpg Bild 5: https://www.enbw.com/energie-entdecken/mobilitaet/brennstoffzellenantrieb/