Hauptseminar Anorganische Chemie Uni-Bayreuth WS 12/13

1. Brennstoffzellen Hauptseminar Anorganische Chemie Uni-Bayreuth WS 12/13 Bastian Klose

2. Brennstoffzellen Gliederung 1. Allgemeines zur Brennstoffzelle 1.1 Aufbau und Funktionsweise 1.2 Strom-Spannungskennlinie 2. Arten von Brennstoffzellen 2.1 Überblick 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle 2.3 Oxidkeramische-Brennstoffzelle 3.Chancen der Brennstoffzelle Bastian Klose

3. Brennstoffzellen 1.1 Aufbau und Funktionsweise • Grundlage: Galvanische Zelle Abbildung1: Aufbau einer Galvanischen Zelle Elektrochemische Spannungsreihe Bastian Klose

4. Brennstoffzellen 1.1 Aufbau und Funktionsweise Abbildung2: Allgemeine Funktionsweise einer Brennstoffzelle Bastian Klose

5. Brennstoffzellen 1.2 Strom-Spannungskennlinie Abbildung3: Strom-Spannungskennlinie Bastian Klose

6. Brennstoffzellen 2.1 Überblick Bastian Klose

7. Brennstoffzellen 2.1 Überblick Abbildung 4: Übersicht der Brennstoffzellen-Reaktionen Bastian Klose

8. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Schematischer Aufbau der PEMFC: Abbildung 5: Schematischer Aufbau der PEMFC Bastian Klose

9. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Der Polymerelektrolyte: Nafion® Herstellung: 1. Sulfonierung von Tetrafluorethen 2. Epoxidierung von Perfluorpropen und Addition von Tetrafluorethen 3. Copolymerisation von (1) und (2) mit Tetrafluorethen 4. Hydrolyse der SO2F-Gruppen zu SO3H Abbildung 6: Strukturformel von Nafion Bastian Klose

10. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Der Polymerelektrolyte: Nafion® Einfluss des Wassers: • Dissoziation der Säuregruppen Protonenleitfähigkeit Abbildung 7: Mechanismus der Protonenleitung Bastian Klose

11. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Die Elektroden Voraussetzungen für eine „gute“ Elektrode • Möglichst große Reaktionsfläche • Kaum Behinderung beim Stofftransport • Dünnschichtelektroden um Widerstand zu senken • Größere CO-Toleranz durch Zulegieren von Ruthenium Abbildung 8: REM Aufnahme der Elektrode Abbildung 9: Schematische Darstellung der 3 Phasengrenze Bastian Klose

12. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Die Elektroden Diffusionsschicht Netzwerk aus Kohlefaser mit PTFE oder Graphit • Bessere Gasverteilung • Bessere Stromableitung • Mechanische Feste • Reaktionswärme wird abtransportiert Abbildung 10: Nahaufnahme einer Gasdiffusionsschicht Bastian Klose

13. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Die ablaufenden Reaktionen Anode: Tafel-Volmer-Reaktion Heyrowsky-Volmer-Reaktion Bastian Klose

14. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Die ablaufenden Reaktionen Kathode: Abbildung 11: mögliche Reaktionswege der Reduktions Abbilldung 12: Arten der Adsorption am Katalysator Bastian Klose

15. Brennstoffzellen 2.2 Polymermembran-Brennstoffzelle Anwendungsbeispiel: Abbildung 13: PEMFC Brennstoffzelle Abbildung 14: ECN HydroGEM – Fahrzeug mit Brennstoffzellen Antrieb Bastian Klose

16. Brennstoffzellen 2.3 Oxidkeramische-Brennstoffzelle Schematischer Aufbau der SOFC Abbildung 15: Schematischer Aufbau der SOFC Bastian Klose

17. Brennstoffzellen 2.3 Oxidkeramische-Brennstoffzelle Der Elektrolyt: YSZ • Modifikationen von ZrO2: • Transport der Sauerstoff Ionen im YSZ: Abbildung 16: Struktur von YSZ und O²- Transport im Kristallgitter Bastian Klose

18. Brennstoffzellen 2.3 Oxidkeramische-Brennstoffzelle Die Anode:Ni/YSZ (Cermet) Perkolationstheorie Abbildung 18: Perkolationstheorie Abbildung 17: Elektrische Leitfähigkeit σ und thermischer Ausdehnungskoeffizienten α des Cermets als Funktion des Nickelgehalts Bastian Klose

19. Brennstoffzellen 2.3 Oxidkeramische-Brennstoffzelle Die Kathode: LSM Dotierung von A- und B-Plätzen Abbildung 19: Perowskitstruktur ABO3 des Kathodenmaterials LSM Abbildung 20: Schematische Funktion eines Mischleiters Bastian Klose

20. Brennstoffzellen 2.3 Oxidkeramische-Brennstoffzelle Dampfreformierung: • Externe Reformierung • Interne indirekte Reformierung • Interne direkte Reformierung = 206 = -41,2 Shift-Reaktion Problem: Kohlenstoffbildung = 74,8 = -173,3 Bastian Klose

21. Brennstoffzellen 2.3 Oxidkeramische-Brennstoffzelle Technische Realisierung: Abbildung 22: Planarer Aufbau der SOFC Abbildung 21: Tubularer Aufbau der SOFC Bastian Klose

22. Brennstoffzellen Trends und Chance der Brennstoffzelle Anwendungsbeispiel:„Galileo 1000 N“ • Optimale Nutzung des Brennstoffes • durch Kraft-Wärme-Kopplung • Abwärme wird für Heizung benutzt • Sehr Emissionsarm • Leistung: 1000 Watt Abbildung 23: BHKW Galileo 1000 N Bastian Klose

23. Brennstoffzellen 3. Chancen der Brennstoffzelle „Mobilität im Sinne des Klimas und der Ethik“ • Nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad eingeschränkt • Umweltfreundlich und nachhaltig • Wasserstoff als Energiespeicher der Zukunft Bastian Klose

24. Brennstoffzellen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Bastian Klose

25. Brennstoffzellen Alkalische-Brennstoffzelle Bastian Klose

26. Brennstoffzellen Polymermembran-Brennstoffzelle Bastian Klose

27. Brennstoffzellen Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle Bastian Klose

28. Brennstoffzellen Oxidkeramische-Brennstoffzelle Bastian Klose

29. Brennstoffzellen Literaturangaben • [1] http://www2.fz-juelich.de/ief/ief-3/brennstoffzellen/allgemeines/historisches/ abgerufen am 24.12.2012 • [2] http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/geschichte/index.shtml abgerufen am 24.12.2012 • [3] http://schmidt-walter.eit.h-da.de/WBZ/afc2.pdf abgerufen am 27.12.2012 • [4] http://www-eev.uni-paderborn.de/media/Praktikumsanleitungen/Praktikum%20Brennstoffzelle.pdf abgerufen am 28.12.2012 • [5] http://www.itw.uni-stuttgart.de/lehre/lehrveranstaltungen/Dokumente/brennstoffzellen/summary9.pdf abgerufen am 28.12.2012 • [6] Müller, M.: Polymermembran-Brennstoffzellen mit mikrostrukturierten Strömungskanal, Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2002 • [7] http://www.itw.uni-stuttgart.de/lehre/lehrveranstaltungen/Dokumente/brennstoffzellen/summary11.pdf abgerufen am 28.12.2012 • [8] Kulp, C.: Synthese und Charakterisierung von Kern-Schale-Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion, Dissertation, Ruhr-Universität-Bochum, 2012 • [9] Stehlik, K.: Zur Degradation oxidkeramischer Brennstoffzellen, Dissertation, Technische Universität München, 2009 • [10] http://www.ksi-meinsberg.de/kompetenzen/Kathoden.pdf abgerufen am 6.1.2013 • [11] Weber, A.: Entwicklung von Kathodenstrukturen für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle SOFC, Dissertation, Universität Fridericiana Karlsruhe, 2002 • http://d-nb.info/1005213194/34 • [12] http://www.bzbildung.de/lehrmaterial/hausenergie2.2.pdf abgerufen am 6.1.2013 • [13] http://www.netinform.net/h2/h2mobility/Detail.aspx?ID=315 abgerufen am 11.01.2013 • [14] Kurzweil, Peter: Brennstoffzellentechnik, Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen, Wiesbaden, 1. Auflage, 2003 • [15] Roes, Jürgen: Brennstoffzellen, Entwicklung Technologie Anwendung, C. F. Müller Verlag Heidelberg, 3 Auflage, 2006 • [16] http://www.enerope.eu/magazin/news-details/news/chance-fuer-die-brennstoffzelle/ abgerufen am 13.01.2013 Bastian Klose

30. Brennstoffzellen Abbildungsverzeichnis • [1] http://www.ehinger.nu/undervisning/images/stories/kemi-1/oxidation-och-reduktion/daniells-element.png • [2]http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png&filetimestamp=20100415231409 • [3] http://www-eev.uni-paderborn.de/media/Praktikumsanleitungen/Praktikum%20Brennstoffzelle.pdf • [4] http://www.iset.uni-kassel.de/public/kss97/image112.gif • [5] http://www.pfrang.de/garbage/27/275310/PEMFC.jpg • [6] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Nafion2.svg&filetimestamp=20091209082817 • [7] Kurzweil, Peter: Brennstoffzellentechnik, Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen, Wiesbaden, 1. Auflage, 2003 • [8] http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/488/pdf/dissmamue.pdf • [9] http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/488/pdf/dissmamue.pdf • [10] http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3066/pdf/AlexDissEndversion.pdf • [11] Nach: http://www-brs.ub.ruhr-uni-bochum.de/netahtml/HSS/Diss/KulpChristian/diss.pdf • [12] http://www-brs.ub.ruhr-uni-bochum.de/netahtml/HSS/Diss/KulpChristian/diss.pdf • [13] http://www.netinform.net/h2/h2mobility/Detail.aspx?ID=315 • [14] http://www.netinform.net/h2/h2mobility/Detail.aspx?ID=315 • [15] http://www.cfn.kit.edu/img/F2_2_SOFC.PNG • [16] Stehlik, K.: Zur Degradation oxidkeramischer Brennstoffzellen, Dissertation, Technische Universität München, 2009 • [17]Stehlik, K.: Zur Degradation oxidkeramischer Brennstoffzellen, Dissertation, Technische Universität München, 2009 • [18] Nach: http://www.techniklexikon.net/images/p1525_perkolationstheorie.gif • [19]Stehlik, K.: Zur Degradation oxidkeramischer Brennstoffzellen, Dissertation, Technische Universität München, 2009 • [20] http://d-nb.info/1005213194/34 • [21] http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Tubular_sofc_de.png • [22] http://www.iwe.kit.edu/img/content/03_forschung/sofc/SOFC-Planar-Stack_1.jpg • [23] http://www.hexis.com/de/galileo-1000-n • [24] Mathur R.B.: The influence of the pore size and its distribution in a carbon paper • electrode on the performance of a PEM Fuel cell, ElectrochimicaActa, Neu Dehli, 2008 Bastian Klose