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Brennstoffzellen für die Abgasbehandlung Stichwort: Material- und Energieeffizienz Brigitte Haase Grundlagen Thermodynamik Kinetik Leistung Wirkungsgrade.

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Präsentation zum Thema: "Brennstoffzellen für die Abgasbehandlung Stichwort: Material- und Energieeffizienz Brigitte Haase Grundlagen Thermodynamik Kinetik Leistung Wirkungsgrade."—  Präsentation transkript:

1 Brennstoffzellen für die Abgasbehandlung Stichwort: Material- und Energieeffizienz Brigitte Haase Grundlagen Thermodynamik Kinetik Leistung Wirkungsgrade Typen von Brennstoffzellen PEMFC SOFC Ammoniak als Brennstoff Zusammenfassung und Ausblick

2 Sind Brennstoffzellen geeignet, die in Wärmebehandlungsabgasen gespeicherte chemische Energie nutzbar zu machen? Stand: Abgasverbrennung ohne Nutzung der Abwärme

3 Standardtemperatur T 0 = 298 K; Standarddruck p 0 = 1 bar Standardzusammensetzung: a i 0 = 1 (a i : Aktivität der Komponente i) *) reversibel, isotherm, p = const Thermodynamische Daten nach: Atkins, Physical Chemistry

4 Reaktionsmechanismen der thermischen Oxidation schematisch O---O H H O H---H O-O O H H Dissoziation Kombination H-H

5 Katalytische Oxidation

6 Elektrochemische Oxidation Adsorption Dissoziation Ladungsübertragung Diffusion Kombination Desorption

7 Standardbedingungen; reversibel, isotherm, p = const Zellspannung

8 Standard-Elektrodenpotentiale

9 Beispiel: Brennstoffzelle mit Luft anstelle von Sauerstoff O 2 als Oxidationsmittel R = JK-1mol-1 T/K: Temperatur E/V: konzentrationsabhängiges Elektrodenpotential mit: Konzentrationsabhängigkeit der Standard-Elektrodenpotentiale

10 Reale Zellen I = 0; keine Last Zellspannung, berechnet: DE(298 K) = 1.23 Volt (O 2 als Oxidationsmittel) DE(298 K) = 1.22 Volt (Luft als Oxidationsmittel) OCP = Zellspannung, gemessen("open circuit potential"; bei I = 0) 1.0 V > OCP > 0.95 V Ursachen: - unerwünschte Nebenreaktionen (Bildung von H 2 O 2 ) - Polarisation des Katalysators (Bildung von Platinoxiden) - Diffusion von Wasserstoff auf die Kathodenseite

11 Leistungsdaten von Brennstoffzellen

12 Quelle: Kennlinien einer PEM-Brennstoffzelle Spannung U EZ/ Stromdichte j norm elektrischer Wirkungsgrad  el bezogen auf den unteren Heizwert, DH u mit H 2 O (g) Wärmeleistung elektrische Leistung Stromkennzahl SKZ

13 Kinetik: Widerstände in der Zelle bei Last (I  0) 1V > U EZ > 0.8 V Sauerstoff-Überspannung - Ladungsübertragung - H 2 O-Bildung 0.8 V > U EZ > 0.5 V Ohmscher Widerstand der Zelle (quasi-linear) - spezifische Widerstände der verwendeten Materialen U EZ < 0.4 V Diffusion - Antransport von H 2 und O 2 R = U/I Hauptwiderstand = geschwindigkeitsbestimmender Teilschritt  g el 0.5 < g theo = 0.83

14 AnodeKathode PEM Reaktionsmechanismen der elektrochemischen Oxidation PEM-Brennstoffzelle (T < 60 o C)

15 Reaktionsmechanismen der elektrochemischen Oxidation SOFC-Brennstoffzelle (T l 800 o C) AnodeKathode ZrO 2 $Y 2 O 3 (YSZ)

16 Quelle: PEM-Brennstoffzellen-Stack anode/cathode backing: mechanische Stabilität; Gasverteilung PEM: Proton Exchange Membrane = Elektrolyt Bipolarplatte: Gaszufuhr, Diffusionsbarriere PEM-Brennstoffzellen-Stack

17 SO-Brennstoffzellen-Stack und Stack-Modul Hersteller: Staxera, Dresden Kathode Einlass Abgas Anode Einlass Abgas

18 Leistungsdaten eines SOFC-Stacks Quelle: Björn Erik Mai et al. Staxera GmbH, Gasanstaltstrasse 2 D Dresden / Germany

19 Ammoniak-Verbrennung - SOFC oder PEMFC?

20 Direkte Ammoniak-Oxidation in der SOFC (T l 800 o C) AnodeKathode ZrO 2 $Y 2 O 3 (YSZ) Katalysator Adsorption Ammoniakdissoziation hohe Aktivierungsenergie Diffusion Ladungsübertragung Kombination 2 H + + O 2-  H 2 O 2 N  N 2 Desorption

21 Anode Kathode PEM Zellspannung ZrO 2 $Y 2 O 3 Anode Kathode

22 Zusammenfassung Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Arbeit um, PEM-Brennstoffzellen sind für die Abgasbehandlung nicht geeignet, Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC) können mit Ammoniak betrieben werden, unempfindlich gegen Verunreinigungen und Katalysatorgifte (Nitrocarburieren), nur ein Teil der im Abgas enthaltenen chemischen Energie wird in elektrische Arbeit umgewandelt. Abwärme auf hohem Temperaturniveau eher nutzbar (Cogeneration), angestrebte Betriebsbedingungen: - hohe Brennstoffausnutzung (fuel utilization) - bei kleinen Strom- bzw. Energiedichten. Varianten: Direkt-Oxidation oder mit Reformierung Nachverbrennung erforderlich?


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