Technische Universität München

Brennstoffzelle

Roland Fuchsberger

Technische Universität München

Inhalt

• Elektrochemische Grundlagen

– Elektrochemische Zelle

– Faradaysches Gesetz

– Nernstsche Gleichung

• Brennstoffzelle

– Geschichte

– Verschiedene Typen

• Marktanalyse

– Portabel

– Transport

– Stationär

Technische Universität München

ELEKTROCHEMISCHE

GRUNDLAGEN

Technische Universität München

Elektrochemische Zelle

[www.saugstelle.de]

Technische Universität München

Elektrolyse, Klemmspannung, EMK

[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie I, 1982]

Technische Universität München

Faradaysches Gesetz

F: Faraday-Konstante (96 485 C · mol−1)

n: Stoffmenge (in mol)

Q: Ladungsmenge ( = Strom * Zeit in A s)

Beispiel Silberabscheidung:

M: molare Masse (g/mol)

z: Elektronenladung der Reaktion

[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie I, 1982]

Technische Universität München

Reaktionsenthalpie

Allgemeine Redoxreaktion:

Reaktionsenthalpie:

Galvanisches Element:

Elektrolysezelle:

vi: Molmenge

Si: Substanz

G: molare, freie Reaktionsenthalpie

z: Ladung des Ions

F: Faradaysche Konstante

E0: Elektromotorische Kraft

Ekl: Klemmspannung

Technische Universität München

Elektrochemisches Potential, Doppelschicht

µi: Chemisches Potential

µi0: Standard-Chemisches Potential

R: Gaskonstante

T: Temperatur

ai: Aktivität

[www.saugstelle.de]

Technische Universität München

Reaktionsenthalpie:

Elektrochemische Potential:

Reaktion:

Nernstsche Gleichung:

Nernstsche Gleichung

z: Ladungszahl

F: Faradaysche Konstante

E0: Potential

µi: Chemisches Potential

µi0: Standard-Chemisches Potential

R: Gaskonstante

T: Temperatur

ai: Aktivität

aivi: Aktivität d. Molmenge vi

E00: Standardbezugspotential

Technische Universität München

Spannungsreihe

Technische Universität München

Überspannung

η: Überspannung

Ekl: Klemmspannung

E0: Potential

[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982]

Technische Universität München

Thermodynamischer Wirkungsgrad (1)

[Chemie in unserer Zeit, Nr. 6, 1997]

Technische Universität München

Thermodynamischer Wirkungsgrad (2)

[www.chemgapedia.de]

Technische Universität München

BRENNSTOFFZELLE

Technische Universität München

Geschichte (1)

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

Technische Universität München

Geschichte (2)

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

Technische Universität München

Wasserstoff-Sauerstoff Brennstoffzelle

Alkalische Lösung:

Anode

Kathode

Saure Lösung:

Anode

Kathode

[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982]

Technische Universität München

3-Phasenzone (1)

[www.chemgapedia.de] [C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982]

Technische Universität München

3-Phasenzone (2)

[C. Sun et al., Cathode materials for solid oxide fuel cells: a review, 2010]

Technische Universität München

Aufbau der Elektrode

[www.chemgapedia.de] [www.chemgapedia.de]

Technische Universität München

Herausforderungen an das Kathodenmaterial

am Beispiel SOFC:

1. Hohe elektronische Leitfähigkeit

2. Passender Temperaturausdehnungskoeffizient

3. Passende Porosität

4. Stabilität unter oxidierenden Atmosphäre

5. Hohe katalytische Aktivität zur O2 Reduktion

6. Niedrige Kosten

Technische Universität München

Polymerelektrolytmembran BZ

Anode:

Kathode:

Gesamtreaktion:

Nafion:

[de.wikipedia.org]

Technische Universität München

Direkt Methanol Brennstoffzelle (1)

Anode:

Kathode:

Gesamtreaktion:

[de.wikipedia.org]

Technische Universität München

Direkt Methanol Brennstoffzelle (2)

[www.chemgapedia.de]

Technische Universität München

Oxidkeramik-Hochtemperatur Brennstoffzelle

[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982] [de.wikipedia.org]

Technische Universität München

Überblick

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

Technische Universität München

MARKTANALYSE

Technische Universität München

Überblick

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

Technische Universität München

Portable Anwendungen

Ausbildungs-Brennstoffzellen

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

Technische Universität München

Portable Anwendungen

Hilfsversorgung

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

Technische Universität München

Portable Anwendungen

Consumer Electronic

[gizmodo.com.br]

Technische Universität München

Transport

Materialtransportfahrzeuge

[solar-sicherheit.de]

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Transport

Leicht-Nutzfahrzeuge

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

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Transport

Bus

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

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Transport

Anderer Transport

[de.wikipedia.org]

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Stationäre Anwendungen

Primärenergie

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

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Stationäre Anwendungen

Micro-Combined Heat and Power

[www.chemgapedia.de]

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Stationäre Anwendungen

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

[fuelcellmarkets.com]

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Infrastruktur

Portabel

[gadgetmagazin.de]

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Infrastruktur

Transport

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

Technische Universität München

Entwicklungen nach Elektrolyttypen

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

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Katalysator: Platinum

[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]

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Ausblick

Ausblick