Niedrigtemperatur Brennstoffzellen

Fach Chemie

Klasse 11

Autor Wimmer96

Veröffentlicht am 01.11.2018

Schlagwörter

Brennstoffzelle

Zusammenfassung

Aufgabe dieses Referat ist es über sogenannte Niedrigtemperatur Brennstoffzellen aufzuklären und verschiedene Arten von Niedrigtemperatur Brennstoffzellen aufzuzeigen und einen groben Überblick über dieses Themengebiet zu geben.

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Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen
Auch wenn alle Zellen im Grunde genommen den gleichen Aufbau haben, gibt es trotzdem große Unterschiede in der Art der Brennstoffe und der Elektrolyten bzw. der Membrane. Als erstes sind hierbei die Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen anzumerken, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie bei Betriebstemperaturen unter 100 Grad Celsius arbeiten. Da eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit bei der chemischen Reaktion gewährleistet werden muss, ist die Benutzung von Katalysatoren bei dieser Art der Brennstoffzellen unabdinglich.

1 Die AFC-Brennstoffzelle
Die Alkalische Brennstoffzelle, kurz AFC, ist in die Kategorie der Niedrigtemperatur-Zellen einzuordnen. Sie sind bereits in den 1950er Jahren bis zur technischen Reife weiterentwickelt worden, dies geschah vor allem in Europa und Amerika. Die AFC´s verwenden wässrige Kalilauge als Elektrolyten (3-50 Gew.-% KOH) und können in einem Temperaturbereich von 20-90 Grad Celsius betrieben werden, wobei die Temperatur, mit der die Zelle betrieben, wird in der Praxis jedoch bei etwa 60 Grad Celsius liegt. Es ergibt sich allerdings ein großer Nachteil bei der Verwendung von Kalilauge als Elektrolyt, da die Lauge gegenüber Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid unverträglich ist und dadurch zu unlöslichem Karbonat zersetzt wird. Genau wegen dieser Unverträglichkeit bestehen bezüglich der Brenngase hohe Anforderungen, da die Luft aufgrund seines Kohlenstoffdioxid- bzw. Kohlenstoffmonoxid-Gehaltes nicht für den Betrieb der Alkalischen Brennstoffzelle geeignet ist. Bei dieser Art der Niedrigtemperartur-Brennstoffzelle können alle Katalysatoren verwendet werden, die die Wasserstoffdissoziation beschleunigen. Hierbei eignen sich besonders die Edelmetalle, wie Platin und Palladium und deren Legierungen, wie Silber und Nickel. Allerdings werden heute Raney-Nickel für die Seite des Wasserstoffes und Raney-Silber bzw. mit Edelmetallen aktivierter Kohlenstoff für die Reduktion des Sauerstoffes verwendet. Die Vorteile die die AFC bietet liegen vor allem in der kostengünstigen Anschaffung der Katalysatoren, sowie dem hohen Wirkungsgrad den die Zelle bietet. Bei einer Temperatur von 60-80 Grad Celsius und in einer 20-50%-igen Kalilauge, arbeitet die AFC am besten und erzielt bei optimalen Bedingungen einen elektrochemischen Wirkungsgrad von bis zu 62 %. Aufgrund dieser Eigenschaften und Vorteile der Zelle, ist sie vor allem für die Raumfahrt und das Militär, wie zum Beispiel für die Verwendung von U-Booten, besonders interessant und geeignet.
Abbildung 1: Teilreaktionen der AFC-Brennstoffzelle

2 Die PEMFC-Brennstoffzelle
Eine weitere Zelle, die in den Bereich der Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen fällt, ist die Polymermembran-Brennstoffzelle, kurz PEMFC oder PEFC. Der Unterschied zu den Alkalischen Zellen liegt im Elektrolyten, da bei der Membran-Brennstoffzelle eine dünne, gasdichte, protonenleitende Kunststoffmembran verwendet wird. Hierbei übernimmt die Membran gleichzeitig die Funktion des Elektrolyten, des Katalysatorträgers und der Trennung der beiden Reaktionsräume. Aufgrund des enthaltenen Wassergehaltes in der Membran, der für die Ionenleitung notwendig ist, ist die mögliche Betriebstemperatur der Zelle auf maximal 100 Grad Celsius begrenzt. Die optimale Temperatur um die PEMFC zu betreiben liegt allerdings bei 60-80 Grad Celsius. Die möglichen Brennstoffe, die verwendet werden können, sind auf Wasserstoff und Sauerstoff beschränkt, wobei ganz im Gegensatz zur AFC auch ein Luftbetrieb der Zelle möglich ist. Da die Polymermembran eine sehr gute Leitfähigkeit und lediglich eine Dicke von 20 bis zu 150 Mikrometer besitzt, kann eine sehr hohe Leistungsdichte erreicht werden. Wie auch die AFC, ist die Membran-Brennstoffzelle gegen Kohlenmonoxid sehr empfindlich, da dieses als Gift für den Katalysator wirkt. Daher werden auch bei diesem Zelltypen hohe Anforderungen an die Reinheit der Brenngase gestellt. Wenn man die Zelle nun mit Erdgas oder flüssigen Kohlenwasserstoffen betreiben möchte, ist ein großer technischer Aufwand für die Reformierung nötig, da das Reformatgas nach der Reformierung immer noch einen Anteil von einem Prozent Kohlenmonoxid aufweist. Die vielen Brennstoffzellen, die in einem Stack zusammengeschlossen werden, sind durch Bipolarplatten, die aus Graphit, Stahllegierungen oder elektrisch leifähigen Composite-Werkstoffen gefertigt sind, miteinander verbunden. Da die Zelle bei sehr geringen Temperaturen arbeitet, ist eine effektive Katalyse der Reaktion sehr wichtig. Da die Membran einen sehr sauren Charakter besitzt, der mit dem der Schwefelsäure vergleichbar ist, wird ein Einsatz von Edelmetallkatalysatoren benötigt. Hierzu werden Platin oder Platin-Ruthenium-Legierungen verwendet, mit diesen wird die Membran der Brennstoffzellen beschichtet. In Sachen des Wirkungsgrads kann gesagt werden, dass die PEM etwa einen Wirkungsgrad erreicht, der im Bereich der AFC liegt. Also etwa bei 50-68% und bei etwa 43-50 % wenn man die Zelle mit Erdgas betreibt. Ursprünglich wurden die Membran-Brennstoffzellen Mitte der 1950er Jahre für Raumfahrtprojekte, von der amerikanischen Firma General Electric, entwickelt. Beispielweise wurde die Zelle im Raumfahrtprogramm Gemini, das von 1962-1966 stattfand, in bemannten Raumflügen als Energiequelle verwendet. Besonders seit den 90er Jahren wird die Forschung im Bereich der Membran-Brennstoffzelle weiter sehr vorangetrieben und deshalb wird international von mehreren Firmen eine Serienfertigung von Membran-Brennstoffzellen-Autos für die Jahre nach 2010 vorbereitet. Sehr vielversprechend ist außerdem die derzeitige Entwicklung von Hochtemperatur-Membranen, die eine Betriebstemperatur der Zellen von bis zu 200 Grad Celsius zulassen sollen. Dies würde erhebliche Vorteile bieten, da die Kohlenmonoxidtoleranz der Zelle ansteigt, der Wirkungsgrad steigt und zudem die Kraft-Wärme-Kopplung auf ein höheres Temperaturniveau. 2.2.1.3 DMFC-Brennstoffzelle
Die Direktmethanol-Brennstoffzelle, kurz DMFC, gilt als eine Weiterentwicklung der oben genannten Membran-Brennstoffzelle und aus diesem Grund verwendet auch dieses Brennstoffzelltyp eine Kunststoffmembran als Elektrolyt. Wie schon der Name sagt, besteht die Besonderheiten im verwendeten Brennstoff, mit dem die Zelle betrieben wird. An der Anode kann die Zelle mit flüssigem Methanol oder mit Methanoldampf und an der Kathode mit Luftsauerstoff betrieben werden. Ein großer Vorteil gegenüber der Polymermembran-Brennstoffzelle besteht im Kaltstartverhalten, da bei der Direktmethanol-Zelle kein Reformer auf Betriebstemperatur gebracht werden muss, da Methanol nicht durch den Reformer in Wasserstoff umgewandelt werden muss. Als Katalysatoren werden wiederum Edelmetallkatalysatoren aus einer Mischung von Platin und Ruthenium verwendet, da sich diese besonders zur Oxidation von Methanol eignen. Jedoch gibt es derzeit noch große Probleme mit der DMFC-Brennstoffzelle, da die Katalysatoren noch nicht stabil genug sind und durch Kohlenmonoxid und andere Zwischenprodukte vergiftet werden. Außerdem stellt auch der Brennstoff, nämlich das Methanol, ein großes Problem dar, da dieses durch Diffusionsprozesse und Elektroosmose durch die Membran von der Anoden- zur Kathodenseite gelangen kann. Zudem sind die derzeit erzielten Leistungsdichten noch weit von der PMFC-Brennstoffzelle entfernt. Auch die Elektroden der DMFC, die aus sehr viel Edelmetall bestehen, sind daher sehr teuer. Auch der Wirkungsgrad der Zelle, die sich derzeit noch im Stadium der Grundlagenforschung und der Laborentwicklung befindet, liegt noch weit entfernt von denen der anderen Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen und liegt derzeit etwa bei 20-30 %. Wenn diese Probleme allerdings in naher Zukunft gelöst werden könnten und eine Membran, die die Problematik der Methanoldiffusion lösen kann, entwickelt werden kann, eignet sich die DMFC sehr gut für die Anwendung in Fahrzeugen.

Quellenangaben

Angelika Heinzel, Falko Mahlendorf, Jürgen Roes,  Brennstoffzellen , Entwicklung, Technolo    gie, Anwendung , Auflage 3.,völlig überarbeitete und erweiterte Auflage, 2006 Heidelberg, C.F. Müller

- Dagmar Oertel, Torsten Fleischer, Brennstoffzellen-Technologie, Beiträge zur Umweltgestaltung A; Bd. 146, 2001 Berlin, Erich Schmidt Verlag

- http://www.chemieunterricht.de/dc2/fc/

- http://www.chempage.de/theorie/bz.htm   

- http://protectfuture.wordpress.com/2012/04/29/der-klimawandel-und-seine-probleme/

- http://schmidt-walter.eit.h-da.de/WBZ/afc2.pdf

-https://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab051.pdf

gema.jimdo.com/app/download/7665134086/Pr%25C3%25A4sentation%2BDer%2BTreibhauseffekt.pdf%3Ft%3D1401979286+&cd=5&hl=de&ct=clnk&gl=de&client=firefox-a

- Paschen von Flotow, Ulrich Steger, Die Brennstoffzelle – Ende des Verbrennungsmotors ?: Automobilhersteller und Stakeholder im Vergleich, 2000 Wien, Stuttgart, Bern, Paul Haupt, Umwelt und Verkehr; Band3

- Peter Kurzweil, Brennstoffzellentechnik Grundlagen, Komponenten Systeme, Anwendungen, 2003 Wiesbaden, Vieweg