Kapitel: Brennstoffzellen-Technologie

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1 Kapitel: Brennstoffzellen-Technologie
H2 Training Manual Kapitel: Brennstoffzellen-Technologie Titel: Brennstoffzellen-Technologie    Level: Anfänger (B), fortgeschrittene Anfänger (I) Voraussetzungen: keine Überblick: Das Kapitel soll einen Überblick über die technischen Aspekte der Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten. Inhalt: 1.      Einführung in die historischen Hintergründe von Brennstoffzellen 2.      Grundsätzliches über Brennstoffzellen 3.      Grundlagen der Elektrochemie 4.      Grundlagen der Thermodynamik 5.      Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen 6.      Systemintegration von Brennstoffzellen 7.      Betrieb von Brennstoffzellen Gesundheitliche und sicherheitstechnische Aspekte Lernziele Der Teilnehmer ist in der Lage - die Entwicklung der Brennstoffzellen zu verstehen - einige der hinter dem Design von Brennstoffzellen stehenden Theorien zu verstehen - einige der hinter dem Einsatz und Betrieb von Brennstoffzellen stehenden Theorien zu verstehen Methodik: Vorträge, Gruppenarbeit, Diskussionen Zeitplan Anfänger: 4 Stunden à 60 min. Fortgeschrittene Anfänger und Fortgeschrittene: 6 Stunden à 60 min.

2 H2 Training Manual Inhaltsverzeichnis Einführung in die historischen Hintergründe von Brennstoffzellen. Grundsätzliches über Brennstoffzellen. Grundlagen der Elektrochemie. Grundlagen der Thermodynamik. Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Systemintegration von Brennstoffzellen. Betrieb von Brennstoffzellen. Gesundheitliche und sicherheitstechnische Aspekte.

3 Historische Hintergründe
H2 Training Manual Die Wurzeln der Brennstoffzelle lassen sich bis ins 19. Jahrhundert zurück verfolgen. Sir William Robert Grove, ein in Wales geborener und in Oxford ausgebildeter Jurist, der Chemie oder, wie man zu seiner Zeit zu sagen pflegte, "natürliche Wissenschaften" studierte, erkannte, dass das Prinzip der Elektrolyse, bei der Wasser unter Einsatz von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden konnte, auch in der umgekehrten Richtung gültig sein musste. Das Zusammenführen von Wasserstoff und Sauerstoff würde bei Anwendung des richtigen Verfahrens Strom erzeugen. B Sir W.R.Grove

4 B Sir Groves 'galvanische Gasbatterie'
H2 Training Manual Sir Groves 'galvanische Gasbatterie' Um seine Schlussfolgerung auf den Prüfstand zu stellen, baute Sir William Robert Grove ein Gerät, dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander verbinden würde, um Strom zu erzeugen - die weltweit erste Gasbatterie, später umbenannt in Brennstoffzelle. Seine Erfindung wurde ein Erfolg und Groves Arbeit förderte das Verständnis der Idee von Energieerhaltung und Umkehrbarkeit. Mit dem Erscheinen billiger fossiler Brennstoffe schwand das Interesse an Groves 'Gasbatterie' allmählich. Das Prinzip der Elektrolyse (Darstellung links) einer Brennstoffzelle (Darstellung rechts). (Quelle: Larminie, 2000) B

5 Geschichtliche Übersicht
H2 Training Manual 1838/39 Entdeckung des Brennstoffzellen-Effekts: 1838 C.F. Schönbein “On the Voltaic Polarization of Certain Solid and Fluid Substances”. 1839 Sir W. Grove “On the Voltaic Series and the Combination of Gasses by Platinum”. 1843 Aufbau einer "Gasbatterie“ durch Grove. 1989 Arbeiten von L. Mond und C. Langer führten zur ersten alkalischen Brennstoffzelle. Sie entdeckten ebenfalls die hohen Verluste auf der Sauerstoffseite. 1896 W.W. Jaques benutzte geschmolzenes Natriumhydroxid als Elektrolyt mit dem Ziel der Kohledirektverstromung. 1900 W. Nernst konzeptionelle Arbeiten zur Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC). 1905 F. Haber führte systematische Untersuchungen zur Thermodynamik einer Wasserstoff verzehrenden Brennstoffzelle durch. 1932 F.T. Bacon begann ein langfristiges Brennstoffzellen-Entwicklungsprogramm. 1935 W. Schottky entwickelte die theoretischen Grundlagen der SOFC. 1938 E. Baur und H. Preis berichten über experimentelle Arbeiten zur SOFC. 1959 F.T. Bacon baute den ersten funktionierenden 5°kW alkalischen Brennstoffzellenstack. 1964 Membranbrennstoffzelle versorgte Gemini Raumfahrzeug. 1967 Konzept der phosphorsauren Brennstoffzelle durch UTC. 60er/80er Alkalische Brennstoffzellen werden für Apollo und Space Shuttle Jahre verwendet. 1984 “Wiederentdeckung" der Polymermembranbrennstoffzelle. Sir W. Grove Anwendungen in Nischen- bereichen B Vor-Serienfertigung

6 Frühe Anwendungen von Brennstoffzellen
H2 Training Manual US- Weltaumprogramm US-Weltraumprogramm: Herkömmliche Batterien zu groß, schwer und giftig. Photovoltaik noch nicht für den praktischen Einsatz geeignet. Raumfahrzeuge transportieren bereits H2 und O2. Wasser ist ein Nebenprodukt. In den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts unternahm die National Aeronautics and Space Administration (NASA) den ersten Schritt zur weiteren Entwicklung der Brennstoff-Technologie. NASA entwickelte gerade Mission Critical Systems für den ersten längeren bemannten Flug ins All. Einmal im Weltraum war der Orbiter auf eine Stromquelle angewiesen. Batterien wurden aufgrund der für eine achttägige Mission im Weltraum erforderlichen Größe, des entsprechenden Gewichts und ihrer Toxizität ausgeschlossen. Photovoltaik war zu diesem Zeitpunkt aufgrund der Größe und des Gewichts der Solarkollektoren für den praktischen Einsatz noch nicht geeignet. Die Lösung für das technische Dilemma der NASA, genügend Strom für längere Missionen im Weltraum zur Verfügung zu stellen, waren Brennstoffzellen. Die früheren mit Brennstoffzellen verbundenen Probleme mit Kosten und Brennstoffversorgung wurden irrelevant, da die Raumfahrzeuge selbst ja bereits flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff beförderten. Ein zusätzlicher Vorteil der Brennstoffzellen im Vergleich zu anderen Technologien bestand in dem Umstand, das die Astronauten das Wasser, das als Nebenprodukt entsteht, als Trinkwasser verwenden konnten. Bei jeder nachfolgenden Mission wurden die Brennstoffzellen zuverlässiger; die heutigen Space Shuttles der NASA beziehen Strom und Trinkwasser komplett von Brennstoffzellen, sobald sie sich in ihrer Umlaufbahn befinden. B

7 Brennstoffzellen für das Raumfahrtprogramm der NASA
H2 Training Manual Brennstoffzellen für das Raumfahrtprogramm der NASA Die NASA und das Raumfahrtprogramm machten die anfängliche Forschung und Entwicklung der erforderlichen Brennstoffzellen-Technologie möglich. Seit ihrer Anwendung im Rahmen des Raumfahrtprogramms hat die Brennstoffzellen-Technologie in der Industrie sowie auf Regierungsebene in Amerika eine weitreichende Anerkennung als saubere Energiequelle der Zukunft gefunden. Nasa Space Shuttle Orbiter Brennstoffzelle. Eine der drei Brennstoffzellen an Bord des Space Shuttle. Diese Brennstoffzellen produzieren nicht nur den kompletten Strom, sondern auch das Trinkwasser, wenn sich das Space Shuttle im Flug befindet. Die Produktionsleistung ist 12 Kilowatt Strom und 154 Liter Wasser (Quelle: NASA). B

8 Grundsätzliches über Brennstoffzellen
H2 Training Manual Warum brauchen wir Brennstoffzellen? Schwindende Ölvorräte. Treibhausgase reduzieren. Giftige Abgase reduzieren. Eine Reihe von Regierungen und internationalen Organisationen haben den Antrieb und die Motive dafür geliefert, warum Brennstoffzellen und die Wasserstoffindustrie ein Teil der Lösung unserer Energieprobleme sein können. Sei haben drei "gesellschaftliche Notwendigkeiten" identifiziert, deren erste die Zukunftsplanung in Bezug auf schwindende Ölvorräte ist. Die zweite "Notwendigkeit" besteht in einer Reduzierung der Treibhausgase, die im Zusammenhang mit Energieerzeugung und Transportwesen entstehen. Die dritte "Notwendigkeit" ist die Reduzierung der Emissionen giftiger Abgase. Die neuen Energiequellen sollten daher einen hohen Wirkungsgrad haben und vollständig oder nahezu emissionsfrei sein. Die Brennstoffzelle ist eine aufstrebende Technologie, die alle diese Anforderungen erfüllen kann. Brennstoffzellen bieten eine saubere Energiequelle ohne Verbrennung. In diesem Verfahren wird chemische Energie direkt in Strom und Wärme umgewandelt, ohne die Notwendigkeit von Verbrennungskreisläufen. Die Energieeffizienz ist etwa zwei Mal so hoch wie die Ausbeute bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus finden nur bestimmte selektive Reaktionen mit geringen Auswirkungen auf die Umwelt statt. B

9 Übersicht Brennstoffzellen-Technologie
H2 Training Manual Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Effiziente Umwandlung. Minimale Umweltverschmutzung, da keine Verbrennung stattfindet. Anders als bei Batterien müssen Reduktionsmittel (Wasserstoff) und Oxidationsmittel (Luft) ergänzt werden. Brennstoffzellen sind sogenannte elektrochemische Energiewandler, die den chemischen Energiegehalt eines Brennstoffs ohne den Umweg direkt in elektrische Energie umsetzen und dadurch die vielversprechende Möglichkeit einer hocheffizienten und nur mit geringen Umweltbelastungen verbundenen Energie- bzw. Stromerzeugung bieten. Aufgrund der Vermeidung der Zwischenschritte wie Wärmeerzeugung und mechanische Arbeiten, wie bei den meisten herkömmlichen Stromerzeugungsverfahren üblich, sind Brennstoffzellen an die thermodynamischen Grenzen von Wärmekraftmaschinen, wie dem Carnot'schen Wirkungsgrad gebunden. Zusätzlich wird mit Brennstoffzellen aufgrund der Tatsache, dass Verbrennung vermieden wird, Strom mit minimaler Schadstoffbelastung hergestellt. Anders jedoch als bei Batterien müssen für einen dauerhaften Betrieb Reduktions- und Oxidationsmittel fortlaufend ergänzt werden. Obwohl Brennstoffzellen grundsätzlich eine große Vielfalt von Brennstoffen und Oxidantien verarbeiten können, so sind heute jene Brennstoffzellen von Interesse, die bekannte Brennstoffe verwenden (bzw. deren Derivate) oder Wasserstoff als Reduktionsmittel und Umgebungsluft als Oxidans. B

10 Kalte und warme Verbrennung
H2 Training Manual Warme Verbrennung: Unkontrollierter Reaktionsverlauf Die freiwerdende Wärme wird auf ein Arbeitsmedium übertragen (z.B. Wasser, Wasserdampf) Das Arbeitsmedium durchläuft einen Kreisprozess und treibt eine Turbine mit Generator an Brennstoff Wärme Bewegung Turbine Generator Elektrizität Kalte Verbrennung (Brennstoffzellen): Kontrollierter Reaktionsverlauf (keine Flamme) Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie Umweg über ein Arbeitsmedium ist nicht notwendig! B Brennstoff Elektrizität O H Quelle: WBZU

11 Theroretischer Wirkungsgradvergleich
H2 Training Manual Höhere Effizienz des elektrochemischen Prozesses im Vergleich zum Carnot-Prozess Energieeinsparung Reduzierung von CO2- Emissionen Dh FC Quelle: WBZU I Brennstoffzellen arbeiten bei niederen Temperaturen besonders effizient!

12 Leistungspotenziale in der praktischen Anwendung
H2 Training Manual Leistungspotenziale in der praktischen Anwendung Dh Brennstoffzellen Dampf- und Gasturbinen Diesel Benzin Elektrische Ausgangsleistung Efficiency I

13 Komponenten einer Brennstoffzelle
H2 Training Manual Die meisten Brennstoffzellen bestehen aus einer Anzahl von Komponenten: Elementarzelle (Elektrode-Membran-Einheit), in der die elektrochemische Reaktion stattfindet. Stacks, in denen einzelne Zellen elektrisch verbunden werden, und so die gewünschte Leistungsfähigkeit erreichen. "Balance of plant" (Subkomponenten), dazu gehören Komponenten, die eine Aufbereitung des Eingangsmaterials bieten (einschließlich eines "Fuel Processor", falls erforderlich), Wärmekontrolle, elektrische Aufbereitungseinheiten und andere Schnittstellenfunktionen. B

14 Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle
H2 Training Manual Kern einer Brennstoffzelle sind die Elementarzellen. Diese Elemente wandeln die in Brennstoff enthaltene chemische Energie in elektrische Energie um. Der grundlegende physikalische Aufbau oder die Basisbausteine einer Brennstoffzelle bestehen aus einer Elektrolytschicht, die mit einer Anode und einer Kathode auf je einer Seite in Kontakt ist. Eine schematische Darstellung einer Elementarzelle mit den Reaktions-/Produktgasen und der Fließrichtung des Ionentransports durch die Zelle ist in der Abbildung dargestellt. In einer typischen Brennstoffzelle wird der Brennstoff fortlaufend der Anode (negative Elektrode) und ein Oxidans (oft Sauerstoff aus der Luft) fortlaufend der Kathode zugeführt (positive Elektrode). Die elektrochemischen Reaktionen finden in den Elektroden statt und erzeugen über das Elektrolyt einen elektrischen Strom, während ein zusätzlicher Strom Arbeit am Verbraucher leisten kann. B

15 Batterien im Vergleich zu Brennstoffzellen
H2 Training Manual Batterien speichern Energie im Reduktionsmittel (Säure). Batterien schalten aus wenn chemische Reaktanten verbraucht werden. Brennstoffzellen wandeln Energie aus Brennstoffen und Oxidationsmitteln um, die fortlaufend zur Verfügung gestellt werden. Obwohl eine Brennstoffzelle einer typischen Batterie in vielerlei Weise ähnlich ist, so unterscheiden sie sich doch in einigen Aspekten. Die Batterie ist ein Energiespeicher, in dem sämtliche zur Verfügung stehende Energie in der Batterie selbst gespeichert wird (zumindest das Reduktionsmittel). Die Batterie erzeugt keine elektrische Energie mehr, wenn die chemischen Reaktanten verbraucht sind (d.h. entladen). Eine Brennstoffzellen auf der anderen Seite ist ein Energiewandler, dem Brennstoff und Oxidationsmittel fortlaufend zur Verfügung gestellt werden. Grundsätzlich gesagt, produziert eine Brennstoffzelle so lange Strom, wie ihr Brennstoff zugeführt wird. B

16 Funktionsweise einer PEM-Zelle
H2 Training Manual I

17 H2 Training Manual Obwohl der direkte Einsatz konventioneller Brennstoffe in Brennstoffzellen wünschenswert wäre, verwenden die meisten heute entwickelten Brennstoffzellen als Energieträger gasförmigen Wasserstoff oder ein Synthesegas, das reich an Wasserstoff ist. Wasserstoff hat eine hohe Reaktionsfähigkeit zu Anodenvorgängen, außerdem lässt sich Wasserstoff aus einer Vielzahl fossiler und erneuerbarer Energieträger chemisch herstellen, ebenso über Elektrolyse. Aus ähnlich praktischen Gründen ist Sauerstoff das am häufigsten eingesetzte Oxidans, denn er steht jederzeit aus der Luft zur Verfügung. Brennstoffzellen werden je nach eingesetztem Elektrolyt und Brennstoff klassifiziert, dies wiederum bestimmt die Reaktionen in den Elektroden und die Art von Ionen, die den Strom über das Elektrolyt leiten. B

18 Kritische Funktionen von Zellenkomponenten
H2 Training Manual Kritische Funktionen von Zellenkomponenten Dreiphasengrenzfläche. Mikroskopische Bereiche. Elektrode in Kontakt mit dem Elektrolyt. Verbesserte Leistung: Geringere Dicke des Elektolyts. Für Elektrode und Elektrolyt werden bessere Werkstoffe verwendet. Größere Temperaturbereiche. Ein sehr wichtiger Bereich bei den meisten Elementarzellen wird oft als Dreiphasengrenzfläche bezeichnet. Diese meist mikroskopischen Bereiche, in denen elektrochemische Reaktionen stattfinden, sind dort zu finden, wo Elektrode und Elektrolyt zusammentreffen. Damit eine Stelle oder Bereich aktiv sein kann muss sie/er einem Reaktant ausgesetzt werden, elektrisch in Kontakt mit der Elektrode sein, die Ionen müssen in Kontakt mit dem Elektrolyt sein und müssen einen ausreichenden Elektro-Katalysator enthalten, damit die Reaktion in der gewünschten Geschwindigkeit fortfahren kann. Die Dichte dieser Bereiche und die Natur der Schnittstellen spielen eine entscheidende Rolle in der elektrochemischen Effizienz sowohl bei Brennstoffzellen, die flüssiges Elektrolyt verwenden, als auch bei Feststoff-Elektrolyt-Zellen. Im Verlauf der letzten zwanzig Jahre hat sich die Leistungsfähigkeit und Effizienz zumindest einiger Brennstoffzellen-Technologien drastisch verbessert. Diese Entwicklungen sind das Ergebnis von Verbesserungen im Bereich der Dreiphasengrenzlinie, einer Reduzierung der Elekrolytdicke und der Entwicklung verbesserter Elektroden und Elektrolyt-Materialien, die den Temperaturbereich, in dem die Zelle betrieben werden kann, vergrößern. B

19 Andere kritische Funktionen von Elementarzellen-Komponenten
H2 Training Manual Elektrolyt: Transportiert gelöste Reaktanten zur Elektrode. Leitet Ionenladungen zwischen den Elektroden. Physikalische Grenze zwischen Brennstoff und Oxidans. Elektroden: Leitung von Elektronen zur und von der Dreiphasengrenzfläche. Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung von Gasen über die Zellen. Sicherstellung der Abführung von Reaktionsprodukten. Um die elektrochemischen zu unterstützen verfügt jede Elementarzelle über andere kritische Funktionen: Das Elektrolyt befördert nicht nur die gelösten Reaktanten zur Elektrode, sondern leitet ionische Ladungen zwischen den Elektroden und schließt somit den elektrischen Kreislauf. Außerdem bietet es eine physikalische Grenze und verhindert, dass sich Gasströme (Brennstoff / Oxidantien) direkt vermischen. Diffusionselektroden in Brennstoffzellen, stellen nicht nur eine Oberfläche bereit, an der elektrochemische Reaktionen ablaufen, sondern sie 1) leiten Elektronen von oder zu Drei-Phasen-Grenzflächen, sobald sich die Elektronen gebildet haben (Elektroden müssen daher aus einem Material hergestellt sein, dass über eine gute elektrische Leitfähigkeit verfügt), Stromabnahme und Verbindung mit anderen Zellen oder der Last; 2) stellen sicher, dass die Gase von Reaktanten gleichmäßig über die Zelle verteilt werden; 3) Stellen sicher, dass die Reaktionsprodukte sicher an die Gasphase geführt werden. B

20 B Elektroden Durchlässiges Material. Elektrisch leitendes Material.
H2 Training Manual Durchlässiges Material. Elektrisch leitendes Material. Katalysatoren benötigt bei niedrigen Temperaturen. Die meisten in Entwicklung befindlichen Zellen sind planar (rechteckig oder kreisförmig) oder röhrenförmig. Typischerweise sind Elektroden durchlässig und aus elektrisch leitendem Material hergestellt. Bei niedrigen Temperaturen gibt es verhältnismäßig wenige und teure Werkstoffe, die eine ausreichende elektro-katalytische Aktivität bieten; aus diesem Grund werden diese Katalysatoren nur in geringer Anzahl an den Schnittstellen, wo sie gebraucht werden, deponiert. Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist die elektro-katalytische Aktivität des in den Elektroden verwendeten Standardmaterials oft ausreichend. Auch wenn eine große Anzahl möglicher Brennstoffzellenkonfigurationen betrachtet wurden, sind die meisten in Entwicklung befindlichen Zellen planar (rechteckig oder kreisförmig) oder röhrenförmig (in symmetrischer oder unsymmetrischer Ausführung und zylindrisch oder flach). B

21 Anwendungen von Brennstoffzellen
H2 Training Manual Stationär – Kraftwerke. Mobil - Kraftfahrzeuge, Motorroller, Fahrräder. “Tragbarer” Strom - Ersatz für Batterien. Diverses - Lokomotiven, Flugzeuge, Boote, U-Boote. Brennstoffzellen werden hauptsächlich im Bereich der ortsfesten Kraftwerke zur Stromerzeugung eingesetzt, was auch Blockheizkraftwerke einschließt. Außerdem noch als Antrieb für Fahrzeuge, als bordeigene Stromquelle für Raumfahrzeuge und in unzugänglichen Bereichen. Kraftfahrzeuge – Fast alle Autohersteller haben schon mindestens einen Prototyp entwickelt und vorgestellt und viele haben schon mehrere Generationen von Brennstoffzellenfahrzeugen durchlaufen. Roller und Fahrräder – Einige Hersteller haben brennstoffzellenbetriebene Roller und Fahrräder vorgestellt, die mit in Metallhydrid gespeichertem Wasserstoff oder mit brennstoffzelleneigenem Methanol (Direktmethanol-Brennstoffzelle) betrieben werden. Dezentrale Stromerzeugung – Verschiedene Firmen arbeiten an der Entwicklung von kleinen (1-10kW) Brennstoffzellen-Systemen, die Strom für Haushalte produzieren sollen. Einige dieser Systeme werden mit Kesseln kombiniert, um sowohl Elektrizität als auch Wärme zu liefern. Viele Firmen entwickeln Miniatur-Brennstoffzellen als Ersatz für Batterien in vielen verschiedenen Verbrauchern und in militärischen Elektronikgeräten. Lokomotiven Flugzeuge Boote Unterwasserfahrzeuge wurde das erste kommerzielle brennstoffbetriebene U-Boot von Perry Technologies erfolgreich getestet. B

22 B Grundlagen der Elektrochemie
H2 Training Manual Elektrochemische Reaktionen beinhalten sowohl die Übertragung elektrischer Ladungen wie auch die Änderung Gibb‘scher freier Enthalpie (freie Energie), die im Bereich Brennstoffzellen sehr wichtig ist. Gibb‘sche freie Enthalpie = Energie, die zur Durchführung externer Arbeit zur Verfügung steht, dabei wird jedwede Arbeit durch Veränderung in Druck und/oder Volumen ignoriert. In einer Brennstoffzelle beinhaltet die externe Arbeit die Bewegung von Elektronen in einem externen Kreislauf – jede Arbeit, die aufgrund einer Veränderung im Volumen zwischen Input und Output geleistet wird, wird von der Brennstoffzelle nicht genutzt. B

23 H2 Training Manual Bei der Arbeit mit chemischen Reaktionen wird die Nullpunktenergie normalerweise als reine Elemente im Normalzustand, unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen (25°C, 0,1MPa) definiert. Die Bezeichnung ‘freie Standardbildungsenthalpie’, Gf, wird der Bezeichnung ‘Gibb‘sche freie Energie' in diesem Zusammenhang vorgezogen. In einer Brennstoffzelle ist es die Änderung in dieser freien Standardbildungsenthalpie, Gf , durch die die Energie, die freigesetzt wird, zur Verfügung steht. Die Veränderung ist der Unterschied zwischen der Gibb‘schen freien Energie des Produktes und der Gibb‘schen freien Energie der zugeführten Energie oder Reaktanten. Gf = Gf der Produkte − Gf der Reaktanten Sofern es in der Brennstoffzelle zu keinen Verlusten kommt, wird sämtliche Gibb‘sche freie Energie in elektrische Energie umgewandelt. B

24 B Theoretisches Potential der Brennstoffzellen
H2 Training Manual Es gilt: elektrische Arbeit das Produkt von Ladung und Potential Wel = q·E wobei Wel = elektrische Arbeit (Jmol-1) ;q = Ladung (Coulombs Mol-1); E = el. Potential (Volt). Die gesamte in einer Reaktion weitergeleitete Ladung je Mol verbrauchter Brennstoff entspricht: q = -nNAvgqel n = die Anzahl weitergeleiteter Elektronen je Brennstoffmolekül ist; Navg= die Anzahl von Molekülen je Mol (Avogadro-Konstante) = 6,022·1023 Moleküle/Mol; qel = Ladung 1 Elektrons = Coulomb. B

25 H2 Training Manual Das Produkt der Avogadro-Konstante und der Ladung 1 Elektrons ist als als Faraday-Konstante bekannt: F = 96,485 Coulombs/Elektron-Mol. -nNAvgqel = -nF Die ergibt sich für die elektrische Arbeit: Wel = -nFE Die maximale Quantität an elektrischer Energie, die in einer Brennstoffzelle erzeugt wird, entspricht der Gibb‘schen freien Energie, ΔG: Wel = ΔG Das theoretische Potential von Brennstoffzellen ist somit E = -ΔG/(nF) Diese Gleichung gibt die elektromotorische Kraft (EMK), oder auch die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle an. B

26 B Betrachten wir die Wasserstoff-/Sauerstoff-Brennstoffzelle.
H2 Training Manual Betrachten wir die Wasserstoff-/Sauerstoff-Brennstoffzelle. Die grundlegende Reaktion verläuft wie folgt: H2 → 2H+ + 2e- (Anode) ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O (Kathode) H2 + ½ O2 → H2O (gesamt) Bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle wandern für jedes entstandene Wassermolekül und jedes verbrauchte Wasserstoffmolekül zwei Elektronen durch den externen Stromkreis. Daraus ergibt sich für die Wasserstoff-Brennstoffzelle folgende reversible Zellspannung: E = -ΔG/(2F) Weil G, n und F bekannt sind, beträgt bei T=298,15K das theoretische Potential der H/O-Brennstoffzelle E=1,23V. B

27 B Betriebsspannungen Brennstoffzelle Spannungsverluste
H2 Training Manual Spannung einer typischen Niedertemperatur-Brennstoffzelle bei Umgebungs-luftdruck Gemäß der vorherigen Formel beträgt der theoretische Wert der Ruhespannung einer Wasserstoff-Brennstoffzelle bei Zellenbetriebstemperaturen von unter 100°C ungefähr 1,2V. Wenn aber eine Brennstoffzelle in Betrieb genommen wird, stellt sich heraus, dass die Spannung häufig deutlich geringer ist. Spannungsverluste sind eine Funktion der elektrischen Stromdichte der Zelle; diese Versuchswerte werden gewöhnlich mithilfe einer so genannten Polarisationskurve dargestellt. B Dieses Diagramm heißt Polarisationskurve

28 H2 Training Manual Der charakteristische Verlauf der Spannungs-/Stromdichte-Kennlinie hängt hauptsächlich von vier Irreversibilitäten ab. Aktivierungsverluste. 2. Gaspermeation und interne Ströme. 3. Ohmsche Verluste. 4. Stofftransport- oder Konzentrationsverluste. Aktivierungsverluste. Diese werden hervorgerufen durch die geringe Reaktionsgeschwindigkeit auf der Oberfläche der Elektroden. Ein Teil der Spannung wird durch die chemische Reaktion verbraucht, die die Elektronen von oder zu der Elektrode transportiert. Dieser Spannungsabfall ist höchst nichtlinear. 2. Gaspermeation und interne Ströme. Dieser Verlust resultiert aus dem ungewollten Durchtritt des Wasserstoffs durch das Elektrolyt und zu einem geringeren Teil aus dem Elektronenfluss durch das Elektrolyt hindurch. Das Elektrolyt sollte nur Ionen durch die Zelle transportieren – allerdings ist immer ein gewisser Elektronenfluss und eine bestimmte Gaspermeation möglich. Außer bei Direktmethanol-Brennstoffzellen sind die Auswirkungen der Gaspermeation und der internen Ströme eher gering und nicht besonders wichtig. Diese Verluste haben allerdings eine deutliche Wirkung auf die Ruhespannung von Niedertemperatur-Brennstoffzellen. 3. Ohmsche Verluste. Der Spannungsabfall beruht auf der begrenzten elektronischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials und der verschiedenen Verbindungen, sowie auf der begrenzten ionischen Leitfähigkeit des Elektrolyten. Der Spannungsabfall ist grundsätzlich proportional zur Stromdichte und wird deswegen Ohm’scher Verlust oder manchmal auch Wirkverlust genannt. 4. Stofftransport- oder Konzentrationsverluste. Diese resultieren aus der Konzentrationsveränderung der reagierenden Substanzen an den Elektroden aufgrund des Brennstoffverbrauchs. Diese Art von Verlust wird häufig Stofftransportverlust genannt, weil die Konzentrationsverringerung das Ergebnis einer Reaktantenunterversorgung an der Elektrodenoberfläche ist. Für diese Verlustart gibt es noch einen dritten Namen – das Nernst-Verhalten, weil die Zusammenhänge in Bezug auf die Konzentration und deren Auswirkungen nach der Nernst-Gleichung modelliert werden können. B

29 E = Eocv-ΔVact-ΔVohm-ΔVtrans
H2 Training Manual Kombiniert man die genannten Verlustmechanismen, wird die Betriebsspannung durch folgende Gleichung dargestellt: E = Eocv-ΔVact-ΔVohm-ΔVtrans B

30 B Aktivierungsverluste – Die Tafel-Gleichung
H2 Training Manual Aktivierungsverluste – Die Tafel-Gleichung Eher aufgrund von Experimentergebnissen als von theoretischen Erwägungen beobachtete Tafel im Jahr 1905, dass die Überspannung an der Elektrodenoberfläche in einer großen Anzahl verschiedenartiger elektrochemischer Reaktionen immer nach einem ähnlichen Muster verläuft. Die Abbildung zeigt das Muster. Wird die Überspannung über den Logarithmus der Stromdichte aufgetragen, ergibt sich für die meisten Überspannungswerte eine Näherung an eine Gerade. Diese Geraden sind als „Tafel-Diagramm“ bekannt. B Tafel-Diagramm für langsame und schnelle elektrochemische Reaktionen.

31 H2 Training Manual Die Aktivierungsüberspannungs-Kurve wird durch die Tafel-Gleichung bestimmt: ΔVact = Bln( i ∕ i0 ) Die Konstante B ist die Tafel-Steigung und wird definiert durch: B = RT ∕ (2aF) Die Stromdichte i0 wird als Austauschstromdichte bezeichnet. Die Konstante B ist z.B. wichtig für die Analyse der Sauerstoffreduktionsreaktion in PEM-Brennstoffzellen, weil sie Informationen über die Reaktionsmechanismen gibt. Ein typischer Wert für die Sauerstoffreduktion an Platin bei 60°C ist B=60mV. Die Konstante α wird Durchtrittsfaktor genannt und stellt dar welcher Anteil der elektrischen Energie zur Änderung der elektrochemischen Reaktionsgeschwindigkeit genutzt wird. Die Konstante i0 wird mit wachsender Reaktionsgeschwindigkeit größer. Die Stromdichte i0 kann als die Stromdichte betrachtet werden, bei der die Überspannung nicht mehr Null ist. Es ist wichtig zu bedenken, dass die Tafel-Gleichung nur gültig ist, wenn i > i0. Die Stromdichte i0 wird Austauschstromdichte genannt. Sie repräsentiert den fortwährenden Elektronenfluss hin zum und weg vom Elektrolyten. Bei hoher Stromdichte ist die Elektrode „aktiver“. Die Austauschstromdichte ist eine wichtige Größe bei der Bestimmung der Brennstoffzelleneigenschaften (Leistung). B

32 B Grundlagen der Thermodynamik Reaktionswärme
H2 Training Manual Reaktionswärme Betrachten wir die Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle Die Reaktion sieht wie folgt aus: H2 → 2H+ + 2e- (Anode) ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O (Kathode) H2 + ½ O2 → H2O (gesamt) Die Gesamtreaktion gleicht der Reaktion bei der Verbrennung von Wasserstoff. Verbrennung ist ein exothermer Prozess, d.h. dass in dem Prozess Energie freigesetzt wird. H2 + ½ O2 → H2O + Wärme Die Wärme oder Enthalpie (ΔH) einer chemischen Reaktion ist der Differenz der Enstehungsenthalpien von Produkten und Reaktanten. Das bedeutet: ΔH = (hf)H2O-(hf)H2- ½ (hf)O2 B

33 H2 Training Manual Die Bildungsenthalpie von flüssigem Wasser ist kjmol-1 bei 25°C; außerdem ist die Bildungsenthalpie von Elementen per Definition gleich Null. Daraus folgt: ΔH = (hf)H2O-(hf)H2- ½ (hf)O2 = -286 KJ/mol = -286KJ/mol Das negative Vorzeichen bedeutet, dass Energie bei der Reaktion freigesetzt wird, was wiederum bedeutet, dass dies eine exotherme Reaktion ist. So lautet die Gleichung H2 + ½ O2 → H2O kJ mol-1 Die Enthalpie der Verbrennung von Wasserstoff wird auch der Brennwert von Wasserstoff genannt. Es ist die Wärmemenge, die bei der kompletten Verbrennung von 1 Mol Wasserstoff erzeugt wird. B

34 B Theoretische elektrische Arbeit
H2 Training Manual Der Heizwert von Wasserstoff wird als Maß für die zugeführte Energie einer Brennstoffzelle genommen. Das ist die größtmögliche Wärmemenge, die aus Wasserstoff gewonnen werden kann. In der Brennstoffzelle wird ein Anteil der zugeführten Energie (ΔH) in Elektrizität umgewandelt, die der Gibb’schen freien Energie (ΔG) entspricht. ΔG = ΔH -TΔS Bei der Energiewandlung gibt es aufgrund der Entstehung von Entropie (ΔS) einige irreversible Verluste. ΔS ist die Differenz der Entropien der Produkte und Reaktanten. ΔS = (sf)H20 – (sf)H2 – ½ (sf)O2 Daraus folgt, dass bei 25°C aus 286,02 kJ mol-1 verfügbarer Energie 237,34kJ/mol in elektrische Energie umgewandelt werden können – und die restlichen 48,68 kJ mol-1 in Wärme. Weicht die Temperatur ab, unterscheiden sich die Werte. B

35 E = - [ΔH/(nF)-TΔS/(nF)]
Einfluss von Temperatur und Druck H2 Training Manual Temperatur Das theoretische Zellenpotential E = -ΔG/(nF) ändert sich mit der Temperatur. E = - [ΔH/(nF)-TΔS/(nF)] Ein Ansteigen der Zellentemperatur resultiert in einer Verringerung des theoretischen Zellenpotenzials. Beachten Sie, dass sowohl ΔH als auch ΔS einen Negativwert darstellen und dass beide Konstanten eine Funktion der Temperatur sind. Das theoretische Zellenpotenzial nimmt mit fallender Temperatur ab, während bei Brennstoffzellen im Betrieb normalerweise eine niedrigere Zellentemperatur in einem höheren Zellenpotenzial resultiert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Spannungsverluste bei in Betrieb befindlichen Brennstoffzellen mit sinkender Temperatur abnehmen, was den Verlust an theoretischem Zellenpotenzial mehr als wett macht. B

36 H2 Training Manual Druck Druck bewirkt eine Veränderung der Gibb’schen freien Energie, die wie folgt ausgedrückt werden kann: dG = VmdP wobei Vm = Molvolumen (m3 mol-1); P= Druck (Pa). Für ein ideales Gas gilt: PVm = RT Daraus folgt: dG = RTdP/P nach der Integration: G = G0 + RTln(P/P0) G0 ist die Gibb’sche freie Energie bei Standarddruck und –temperatur (1atm und 25°C), während P0 der Referenz - oder Standarddruck (1atm) ist. Für jede chemische Reaktion gilt: jA + kB  mC + nD ΔG = mGC + nGD - jGA - kGB B

37 B ΔG = ΔG0 + RT ln {[ (PC/P0)m (PD/P0)n] / [(PA/P0)j (PB/P0)k]}
H2 Training Manual ΔG = ΔG0 + RT ln {[ (PC/P0)m (PD/P0)n] / [(PA/P0)j (PB/P0)k]} Dies ist die Nernst-Gleichung, wobei P der Partialdruck der jeweiligen Reaktanten oder Produkte ist und P0 den Referenzdruck (1atm) darstellt. Für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle sieht die Nernst-Gleichung wie folgt aus: ΔG = ΔG0 + RT ln [PH2O / (PH2PO20.5)] E = E0 + RT/(nF) ln[PH2PO20.5/PH20] Diese Gleichungen gelten nur für gasförmige Produkte und Reaktanten. Mit steigendem Druck der Reaktanten erhöht sich auch das Zellenpotenzial. Sinkt die Konzentration der Reaktanten – und damit auch ihr Partialdruck – verringert sich folglich auch das Zellenpotenzial B

38 B Theoretischer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
H2 Training Manual Der Wirkungsgrad jedes Energiewandlers wird definiert als das Verhältnis von nutzbar abgegebener Energie zu aufgenommener Energie. Bei der Brennstoffzelle ist die nutzbare Energie die elektrische Energie und die aufgenommene Energie ist die Enthalpie des Wasserstoffs. Mit der Annahme, dass die gesamte Gibb’sche freie Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wäre der maximale Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle: h = ΔG / ΔH = 237,34 /286,02 = 83% B

39 Hoch- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen
H2 Training Manual Hoch- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen Derzeit haben sich 6 Brennstoffzellen-Typen als jetzt und in naher Zukunft realisierbare Systeme herauskristallisiert. Einteilung nach Betriebstemperatur, Elektrolytart und Anwendung. B

40 B Einteilung der Brennstoffzellen nach Betriebstemperatur
H2 Training Manual Einteilung der Brennstoffzellen nach Betriebstemperatur Hochtemperatur-Brennstoffzelle: Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Carbonatschmelzen-Brennstoffzelle. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Festoxid-Brennstoffzelle. Mitteltemperatur-Brennstoffzelle: Alkaline Electrolyte Fuel Cell (AFC) alkalische Brennstoffzelle. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Phosphorsäure-Brennstoffzelle. Niedertemperatur-Brennstoffzelle: Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle. Direct methanol Fuel Cell (DMFC)Direktmethanol-Brennstoffzelle. B

41 Übersicht Brennstoffzellen-Typen
H2 Training Manual B

42 B Hochtemperatur-Brennstoffzelle Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
H2 Training Manual Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle Eine MCFC arbeitet im Bereich °C, wo die Alkali-Carbonate eine hochleitfähige Salzschmelze mit Carbonat-Ionen (CO32-) bilden, die die ionische Leitfähigkeit durch die Elektrolytmatrix gewährleisten. Die MCFC ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Wahl des Brenngases und erreicht Wirkungsgrade, die an die 60 %-Marke heranreichen. Die hohen Betriebstemperaturen macht die MCFC attraktiv für den Einsatz in Kombikraftwerken, in denen die Abwärme zur Elektrizitätserzeugung genutzt wird. Wird die Abwärme für Kraft-Wärme-Kopplung verwendet, kann der thermische Gesamtwirkungsgrad 85 % erreichen. Das Elektrolyt ist ein einzelnes oder eine Kombination der Alkalisalze (Natrium-, Kali- oder Lithiumsalz (Na2CO3, K2CO2 or Li2CO3) und wird in einer Keramikmatrix aus Lithium-Aluminiumoxid (LiAlO2) gespeichert. Die Kathodenelektrode besteht für gewöhnlich aus Nickeloxid (NiO) oder dotierten Lithiumverbindungen wie LiFeO2, Li2MnO3 und LiCoO2, die in Kombination mit NiO Doppelschichtelektroden bilden. Die Anodenelektrode besteht aus einer porösen Sinterlegierung (Ni/Al oder Ni/Cr). B

43 H2 Training Manual Vorteile MCFC: Aufgrund der hohen Betriebstemperatur werden keine teuren Elektrokatalysatoren benötigt. Nachteile MCFC: Sehr aggressive und dünnflüssige Elektrolyte erfordern teure Werkstoffe für die Zellenstruktur Hohe Temperaturen nachteilig für Material Hoher Eigenwiderstand begrenzt Leistungsdichte Vorteile MCFC: Die hohen Betriebstemperaturen wirken vorteilhaft in mehreren Belangen: es werden keine teuren Elektrokatalysatoren benötigt, weil die Nickelelektroden die chemische Reaktion ausreichend anregen. Nachteile: Das sehr aggressive und dünnflüssige Elektrolyt erfordert den Einsatz von hochfestem Nickelstahl bei der Fertigung der Zelle (preiswerter als Graphit, aber teurer als ferritischer Stahl). Die hohen Temperaturen wirken sich nachteilig auf das Material aus, was zu verringerter mechanischer Stabilität und verkürzter Lebensdauer führt. Hohe Kontakt- und Kathodenwiderstände limitieren die Leistungsdichte bei gängigen Betriebsspannungen auf ca. 100–200 mW/cm2. B

44 B Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Festoxid-Brennstoffzelle
H2 Training Manual Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Festoxid-Brennstoffzelle Der Elektrolyt ist ein festes nicht-poröses Metalloxid (Keramikeletrolyt), normalerweise ein durch Yttrium (Y2O3) stabilisiertes Zirkoniumdioxid (ZrO2). Es fungiert als Leiter der Sauerstoffionen. Standard: Die Anode ist aus kobalt- oder nickellegiertem Zikoniumdioxid (Co-ZrO2 or Ni-ZrO2 ), genannt Cermet (Kerametall: metall-keramischer Werkstoff), Die Kathode besteht aus strontiumdotiertem (Sr) Lanthanmanganat (LaMnO3). Die Brennstoffzelle hat eine Betriebstemperatur von °C wobei eine ionische Leitung der Sauerstoffionen vor sich geht. Früher musste die Betriebstemperatur aufgrund der eingeschränkten Leitfähigkeit von Feststoffelektrolyten bei ca. 1000°C gehalten werden, während neuerdings Brennstoffzellen mit dünnschichtigen Elektrolyten und verbesserten Kathoden die Verminderung der Betriebstemperatur auf 650 – 850°C zulassen. B

45 H2 Training Manual Sauerstoffatome werden an der porösen Kathodenoberfläche mithilfe von Elektronen zu Sauerstoffionen reduziert und fließen dann durch den Keramikelektrolyten zur brennstoffangereicherten Anode, wo die Sauerstoffionen mit dem Wasserstoff unter Freisetzung von Elektronen reagieren. Der Interkonnektor leitet die Elektronen in einen externen Stromkreis. Schematischer Querschnitt einer röhrenförmigen SOFC von Siemens-Westinghouse B

46 H2 Training Manual Sauerstoffatome werden an der porösen Kathodenoberfläche mithilfe von Elektronen zu Sauerstoffionen reduziert und fließen dann durch den Keramikelektrolyten zur brennstoffangereicherten Anode, wo die Sauerstoffionen mit dem Wasserstoff unter Freisetzung von Elektronen reagieren. Der Interkonnektor leitet die Elektronen in einen externen Stromkreis. Röhrenbündel-Design für eine tubulare SOFC und Zwischenzellverbindung in einer tubularen SOFC B

47 H2 Training Manual Vorteile: Dank der Festelektrolyten kann die Zelle in verschiedenen Formen hergestellt werden. Keramische Konstruktion schwächt Korrosionsprobleme ab. Verwendung von Festelektrolyten ermöglicht genaueste Fertigung und verhindert Bewegung des Elektrolyten. Nachteile: Ungleichmäßige Wärmeausdehnung zwischen Werkstoffen. Abdichten zwischen Zellen bei Flachzellenaufbau schwierig. Hohe Betriebstemperaturen begrenzen die Auswahl der Werkstoffe. Aufwendige Fertigungsprozesse. Vorteile: Dank des Festelektrolyten kann die Zelle in verschiedenen Formen (röhrenförmig, planar, monolithisch) hergestellt werden. Die Festkeramik-Konstruktion der Elementarzelle schwächt alle Korrosionsprobleme innerhalb der Zelle ab. Der Festelektrolyt erlaubt die genaueste Auslegung der Dreiphasengrenzlinie und verhindert die Bewegung des Elektrolyten oder das Fluten der Elektroden. Nachteile: Es kommt zu ungleichmäßiger Wärmeausdehnung zwischen Werkstoffen, und das Abdichten zwischen Zellen bei Flachzellenaufbau ist schwierig. Hohe Betriebstemperaturen begrenzen die Auswahl der Werkstoffe und erfordern aufwendige Fertigungsprozesse. B

48 Alkaline Electrolyte Fuel Cell (AFC) alkalische Brennstoffzelle
Mitteltemperatur-Brennstoffzellen H2 Training Manual Alkaline Electrolyte Fuel Cell (AFC) alkalische Brennstoffzelle Sie war eine der ersten modernen Brennstoffzellen, die in den 60ern entwickelt wurde. Sie sollte für die Apollo-Raketen als bordeigene Stromversorgung dienen. Die AFC konnte gute Erfolge in Raumfahrtanwendungen verbuchen, während die Anwendungen auf der Erde durch die Empfindlichkeit gegenüber CO2 weniger erfolgreich verliefen. Immer noch versuchen einige Entwickler in den USA und Europa die AFC für mobile Anwendungen und für solche, bei denen in sich geschlossene Systeme (reversible Brennstoffzelle) von Vorteil wären, weiter zu entwickeln. Bei Brennstoffzellen, die mit höheren Temperaturen (~250°C) arbeiten, ist der Elektrolyt konzentriertes (85 Gew.-%) Kaliumhydroxid (KOH). Geringere Konzentrationen (35-50 Gew.-%) KOH finden sich für niedrigere Betriebstemperaturen (<120°C). Der Elektrolyt wird in einer Matrix (gewöhnlich Asbest) gespeichert und es kann eine Vielzahl an Elektro-Katalysatoren eingesetzt werden (z.B. Ni, Ag, Metalloxid, Spinell und Edelmetalle). Die Auswahl des Brenngases ist auf nicht-reagierende Bestandteile begrenzt – außer Wasserstoff. CO vergiftet die Zelle, und CO2 würde mit der Lauge zu einem Karbonat reagieren, was wiederum den Elektrolyt verändern würde. Sogar der kleine Anteil CO2 der Umgebungsluft muss als potentielles Gift für die AFC angesehen werden, obwohl bei einigen Kohlenstoff-Brennstoffzellen (andere) Alkali-Elektrolyte zum Einsatz kommen. B

49 H2 Training Manual Vorteile: Hervorragender Wirkungsgrad mit H2 und O2 im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen Nachteile: Empfindlichkeit des Elektrolyten gegen CO2 bedingt den Einsatz hochreinen H2 als Brenngas Sollte Umgebungsluft als Oxidans verwendet werden, muss das CO2 vorher entfernt werden. Vorteile: Im Vergleich mit anderen Brennstoffzellen ein hervorragender Wirkungsgrad mit Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Beitragend ist das gute dynamische Verhalten der Elektrode und die Möglichkeit, viele verschiedene Katalysatoren zu benutzen. Nachteile: Die Empfindlichkeit des Elektrolyten gegenüber CO2 bedingt den Einsatz hochreinen H2 als Brenngas. Daraus folgt, dass ein Reformer ein hochwirksames System zur Entfernung von CO und CO2 aufweisen müsste. Hinzu kommt, dass, sollte Umgebungsluft als Oxidans verwendet werden, das CO2 vorher entfernt werden muss. Obwohl die Technologie nicht besonders anspruchsvoll ist, hat sie erhebliche Auswirkungen auf Größe und Kosten der Brennstoffzelle. B

50 Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Phosphorsäure-Brennstoffzelle
H2 Training Manual Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Phosphorsäure-Brennstoffzelle Elektrochemische Reaktionen: Anode: H2 2H++2e- Kathode: ½ O2+2H++2e- H2O Gesamtreaktion: ½ O2+H2 H2O Sie war die erste, die für den Bereich Raumfahrt in Serie gefertigt wurde. Sie wird in ortsfesten Kraftwerken eingesetzt und erzeugt Leistungen zwischen 0,2 und 20 MW. Der Elektrolyt ist eine 100%-konzentrierte Phosphorsäure. Diese Zelle arbeitet bei Temperaturen von °C. Bei tieferen Temperaturen hat Phosphorsäure schlechte Ionenleiteigenschaften und führt zu schwerer CO-Vergiftung des Platin-Elektrokatalysators der Anode. Die elektrochemischen Reaktionen finden an feinverteilten elektrokatalytischen Partikeln statt, die auf carbon black (Kohlenstoffschwarz; technischer Ruß) aufgebracht sind. Platin (Pt) oder Platinlegierungen werden an beiden Elektroden als Katalysator eingesetzt. Die meist verwendete Matrix zur Einbindung der Säure ist Siliciumcarbid . Die Verwendung einer 100%-igen Säure minimiert den Wasserdampfdruck, sodass das Wassermanagement in der Zelle kein Problem darstellt. Grundsätzliche Arbeitsweise einer PAFC (Quelle: UTC Fuel Cells) B

51 B Vorteile: Kaum empfindlich gegen CO.
H2 Training Manual Vorteile: Kaum empfindlich gegen CO. Niedrigere Betriebstemperaturen erlauben die Verwendung handelsüblicher Werkstoffe. Systemwirkungsgrad bei 37-42%, basierend auf Erdgas-LHV (Lower Heating Value; unterer Heizwert). Abwärme ist bei den meisten Anwendungen im Bereich Kraft-Wärme-Kopplung einfach zu nutzen. Nachteile: Erfordert aufwendige Brenngasaufbereitung für gute Leistungswerte. Sehr aggressive Phosphorsäure erfordert den Einsatz teurer Werkstoffe im Stack. Vorteile: PAFC kaum empfindlich gegen CO; verträgt ca. 1% CO-Konzentration. Die Betriebstemperatur ist noch niedrig genug, um handelsübliche Werkstoffe zu verwenden. PAFC haben Systemwirkungsgrade von 37-42% gezeigt, basierend auf Erdgas-LHV. Außerdem kann die Abwärme bei Einsatz in den meisten kommerziellen und industriellen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen leicht genutzt werden. Nachteile: PAFC erfordert aufwendige Brenngasaufbereitung für gute Wirkungsgrade. Außerdem erfordert der Einsatz der äußerst aggressiven Phosphorsäure die Verwendung teurer Werkstoffe im Stack (besonders die bipolaren Platten aus Graphit). B

52 B Niedertemperatur-Brennstoffzellen
H2 Training Manual Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) kann effizient hohe Leistungsdichten erzielen, was diese Technologie für bestimmte mobile und tragbare Anwendungen und für die Automobilindustrie attraktiv macht. Der Elektrolyt ist eine Ionenaustauschermembran (Sulfonsäuregruppen enthaltendes fluoriertes Polymer oder ähnliche Polymere) mit hervorragenden Protonenleiteigenschaften. Die einzige Flüssigkeit in dieser Zelle ist Wasser, und so ist Korrosion kaum ein Problem. Karbon-Elektroden mit Platin-Elektrokatalysatoren werden für Anode und Kathode verwendet, und entweder mit Kohlenstoff- oder Metall-Interkonnektoren. B

53 B Elektrochemische Reaktionen: Anode 2H2 4H++4e- Kathode
O2+4H++4e- 2H2O Gesamtreaktion O2+2H22H2O H2 Training Manual Der Wasserhaushalt der Membran ist äußerst wichtig für hohe Wirkungsgrade; die Bedingungen in der Brennstoffzelle müssen so sein, dass das Nebenprodukt Wasser nicht schneller verdampft als es produziert wird, weil die Membran feucht gehalten werden muss. Die Zelle kann bis 100°C betrieben werden, wird aber meistens bei 60-80°C betrieben. Wegen der Probleme mit dem Wasserhaushalt wird ein H2-reiches Gas mit keinem oder minimalem Anteil CO (ein Gift bei niedrigen Temperaturen) verwendet. B

54 B Vorteile: Festelektrolyte lassen keine Gaspermeation zu.
H2 Training Manual Vorteile: Festelektrolyte lassen keine Gaspermeation zu. Tiefe Betriebstemperaturen ermöglichen schnelles Anfahren. Keine korrosiven Zellenbestandteile. Nachteile: Tiefer und sehr begrenzter Temperaturbereich erschwert die Kontrolle des Wärmehaushalts. Abwärme ist für Kraft-Wärme-Kopplung oder Nachschaltprozesse nicht nutzbar. Wasserhaushalt problematisch. Empfindlich gegen Vergiftung durch kleinste Verunreinigungen. Vorteile: Die PEFC hat einen Festelektrolyten, der keine Gaspermeation zulässt. Die tiefen Betriebstemperaturen ermöglichen schnelles Anfahren und aufgrund der fehlenden korrosiven Bestandteile kann im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellen auf den Einsatz exotischer Werkstoffe verzichtet werden. Die PEFC bietet sich besonders für Anwendungen an, bei denen reiner Wasserstoff als Brennstoff verwendet werden kann. Nachteile: Der tiefe und eng begrenzte Temperaturbereich erschwert es, den Wärmehaushalt bei hoher Leistungsdichte zu kontrollieren und die Abwärme für Kraft-Wärme-Kopplung und Nachschaltprozesse nutzbar zu machen. Der Wasserhaushalt ist ein anderes großes Problem der PEFC, weil die Entwickler gleichzeitig für genügend Hydration und den Schutz gegen das Fluten des Elektrolyten sorgen müssen. Hinzu kommt, dass die PEFC schon auf kleinste Verunreinigungen durch CO, Schwefel und Ammoniak sehr empfindlich reagiert. B

55 Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Direktmethanol-Brennstoffzelle
H2 Training Manual Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Direktmethanol-Brennstoffzelle Dies ist eine Sonderform von Niedertemperatur-Brennstoffzellen, die auf der PEM-Technologie basieren. Betriebstemperaturen ähnlich der PEMFC. Methanol wird direkt in die Zelle gespeist, ohne dass Wasserstoff vom Alkohol abgespalten wird. Methanol ist der bevorzugte Brennstoff, da es leicht aus Erdgas oder Biomasse gewonnen werden kann. Elektrokatalysator ist wie bei PEMFC Platin, das manchmal mit Ruthenium (Ru), Blei (Pb) und anderen Stoffen legiert wird, was eine positive Auswirkung auf die Katalysatoraktivität in Bezug auf Methanoloxidation hat. Die DMFC wird als der aussichtsreichste Kandidat für die Anwendung in tragbaren Elektronikgeräten wie Kameras und Laptops angesehen. Die DMFC kann mit flüssigem (normalerweise Methanol als wässrige Lösung) oder gasförmigem Brennstoff betrieben werden. B

56 B Elektrochemische Reaktion: Anode CH3OH + H2OCO2 + 6H+ + 6e-
H2 Training Manual Probleme: In der DMFC findet eine Methanolpermeation von der Anode zur Kathode statt. Um den elektro-osmotischen Effekt zu vermeiden, muss die Membran eine ausreichende Dicke aufweisen. Ein gut geeigneter Werkstoff ist Nafion120. Elektrochemische Reaktion: Anode CH3OH + H2OCO2 + 6H+ + 6e- Kathode O2+4H++4e- 2H2O Gesamtreaktion CH3OH + 1,5O2CO2+2H2O B

57 B Systemintegration von Brennstoffzellen
H2 Training Manual Ein System wird definiert als eine Gruppe von Elementen, Objekten oder Gegenständen, die so in einer Wechselbeziehung stehen, dass sie ein Ganzes bilden und als Einheit funktionieren. Im Fall der Brennstoffzelle beinhaltet das System alle notwendigen Komponenten für den Betrieb des Stacks einer Brennstoffzelle und damit für die Erzeugung elektrischen Stroms. Üblicherweise gehören zum System Brennstoffzelle folgende Komponenten: Stack (das Herz der Anlage), Oxidans-Versorgung, Brennstoffversorgung, Wärmehaushalt, Wasserhaushalt, Stromaufbereitung und eine Systemgruppe Leittechnik. Abhängig von Brennstoff und Oxidans können Brennstoffzellen in 3 Kategorien unterteilt werden: Wasserstoff/Sauerstoff-Systeme. Wasserstoff/Luft-Systeme. Reformat/Sauerstoff-Systeme. B

58 B Stack-Aufbau einer PEMFC
H2 Training Manual Für die meisten praktischen Anwendungen müssen die Elementarzellen in modularer Weise kombinierbar sein, um die geforderten Spannungs- und Leistungsanforderungen der jeweiligen Anwendung zu erfüllen. Die Spannung einer einzelnen Zelle im Betrieb liegt ca. bei 0,7V. Im Allgemeinen werden beim Stacken mehrere Elementarzellen über elektrisch leitende Interkonnektoren in Reihe geschaltet. B

59 Stack-Aufbau einer PEMFC
H2 Training Manual Weitere Bilder eines PEMFC-Stacks PFFC-Stack (ZSW-Ulm) I

60 Stack-Aufbau einer PEMFC
H2 Training Manual Membran-Elektroden-Einheit Bipolare Platte Dichtung Trägerschicht Weitere Bilder eines PEMFC-Stacks B Quelle: Modell einer PEFC (ZSW-Ulm) Membran-Elektroden- Einheit Bipolare Platte aus Graphit-Verbundstoff

61 Stationäres Brennstoffzellensystem
H2 Training Manual Reformer FC-System ZSW / ISE Herstellungsjahr 1999 Ort: Fachhochschule Ulm Reformer: Fraunhofer Institute ISE FC-System: ZSW I

62 Kraft-Wärme-Kopplung/Brennstoffzellen-System
H2 Training Manual Stationäres Brennstoffzellensystem (System für Lehrbetrieb) Ort: WBZU Hersteller: Heliocentris Wechselrichter Sauerstoff Wasserstoff Elektrizität Brennstoffzelle Kühlkreislauf Prozesswasser Heizung B

63 B Betrieb von Brennstoffzellen
H2 Training Manual Betrieb von Brennstoffzellen Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen hängt von Prozessvariablen (z.B. Temperature, Druck, Brenngaszusammensetzung, Reaktantnutzung, Stromdichte), der Art der Zelle und noch anderen Faktoren (Verunreinigungen, Zellenbetriebsdauer) ab, die das ideale Zellenpotential und das Ausmaß der Spannungsverluste beeinflussen. Die folgenden Folien geben Informationen über die Auswirkungen einiger Betriebsparameter. Betrachtet werden: Druck. Temperatur. Gasdurchsatz. Relative Feuchte des Gases. B

64 B Druck Die Erhöhung des Betriebsdrucks hat Vorteile:
H2 Training Manual Druck Die Erhöhung des Betriebsdrucks hat Vorteile: Geringere Spannungsverluste Geringere Elektrolytverlust durch Verdamfen Erhöhter Wirkungsgrad Aber auch Nachteile: Erhöhte Systemkosten Größere Geräte- und Werkstoffbelastung Erhöhte parasitäre Leistungsverluste Ein erhöhter Betriebsdruck wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle aus, weil sich der Partialdruck der Reaktanten, die Löslichkeit der Gase und die Stofftransportrate erhöht. Hinzu kommt noch, dass der Elektrolytverlust aufgrund von Verdampfung abnimmt und dass erhöhter Druck im Allgemeinen zu mehr Systemleistung führt. Allerdings müssen Zugeständnisse gemacht werden, wie dickere Rohrleitungen und zusätzliche Kosten für Druckbeaufschlagung. Die Vorteile des erhöhten Betriebsdrucks müssen sowohl gegen die Probleme bei Geräten und Werkstoffen als auch gegen die parasitären Leistungsverluste abgewogen werden. Besonders bei der MCFC führt erhöhter Betriebsdrucks zu Materialproblemen; Druckgefälle müssen minimiert werden, um einen Durchtritt des Reaktantgases durch den Elektrolyten und die Dichtungen zu verhindern. Außerdem begünstigt hoher Druck die Kohlenstoffabscheidung und die Methanbildung im Brenngas. B

65 B Temperatur Temperatur wirkt sich hauptsächlich Folgendes aus:
H2 Training Manual Temperatur Temperatur wirkt sich hauptsächlich Folgendes aus: • Reaktionsgeschwindigkeit der Elektrode. Sie nimmt mit steigender Temperatur zu. • Ohmsche Verluste. Der Einfluss der Temperatur auf den Zellenwidertand unterscheidet sich je nach Material; allerdings ist bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen als Gesamtwirkung eine deutliche Reduzierung des Widerstands festzustellen, während sich bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen nur ein geringerer Effekt erzielen lässt. Temperatur hat noch mehr Auswirkungen: • Geschwindigkeit Elektrodenreaktion. Verluste nehmen exponentiell mit steigender Temperatur ab. Je höher die Aktivierungsenergie (und damit auch die Verluste), desto größer der Einfluss der Temperatur. • Ohmsche Verluste. Der Einfluss der Temperatur auf den Zellenwidertand unterscheidet sich je nach Material. Für Metalle gilt,dass der Widerstand normalerweise mit der Temperatur zunimmt, während der Widerstand bei elektronen- und ionenleitenden Keramikstoffen exponentiell abnimmt (Arrhenius-Gleichung). Für wässrige Elektrolyte sind die Auswirkungen begrenzt, obwohl sehr hohe Temperaturen zur Entfeuchtung des Elektrolyten (z.B. PEFC) und zum Verlust der Leitfähigkeit führen können. Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen hat die Temperaturerhöhung als Gesamtwirkung eine deutliche Reduzierung des Widerstands zur Folge, während sich bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen nur ein geringerer Effekt erzielen lässt. Der Massentransport wird innerhalb der typischen Temperatur- und Druckbereiche der meisten Brennstoffzellen von Temperaturänderungen kaum beeinflusst. Der Massentransport wird innerhalb der typischen Temperatur- und Druckbereiche der meisten Brennstoffzellen kaum von Temperaturänderungen beeinflusst. B

66 H2 Training Manual Gasdurchsatz Die Durchflussgeschwindigkeit der Reaktanten am Einlass der Brennstoffzelle muss größer/gleich der Verbrauchsrate der Reaktanten sein. Die Verbrauchsrate (mol/s) von Wasserstoff und Sauerstoff wird durch das Faraday’sche Gesetz bestimmt: dNH2/dt = I/(2F); dNO2/dt = I/(4F) wobei dN/dt = Verbrauchsrate (mol/s); I=Strom(A); F= Faraday-Konstante (C/mol). Es können und in einigen Fällen müssen sogar mehr Reaktanten nachgeführt werden als verbraucht werden. Das Verhältnis des momentanen Stoffstroms am Zelleinlass und die Verbrauchsrate des Reaktanten wird stöchiometrisches Verhältnis genannt: S = (dNact/dt)/(dNcons/dt) B

67 B Höhere Massenströme resultieren in besseren Wirkungsgraden.
H2 Training Manual Höhere Massenströme resultieren in besseren Wirkungsgraden. Reines H2 kann im Dead-End-Modus (S=1) oder mit einer stöchiometrischen Verhältnis etwas größer als 1 zugeführt werden; H2 in einem Gasgemisch muss mit größerem S zugeführt werden. Ähnlich ist es bei reinem Sauerstoff: Das notwendige stöchiometrische Verhältnis liegt zwischen 1,2-1,5, aber bei Verwendung von Luft liegt das Verhältnis bei 2 oder höher. Zwei der Gründe, warum der Wirkungsgrad mit dem Massenstrom zunimmt, sind. Höhere Massenströme helfen beim Abführen des Produktwassers aus der Zelle. Höhere Massenströme sorgen für anhaltend hohe Sauerstoffkonzentration. B

68 B Relative Feuchte des Gases
H2 Training Manual Relative Feuchte des Gases Beide Reaktantgase müssen normalerweise befeuchtet werden, bevor sie in die Zelle geleitet werden, weil die Membran Wasser benötigt, um die Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Das Feuchteverhältnis ist das Verhältnis der vorhandenen Menge Wasserdampf zum Anteil Trockengas. Relative Feuchte ist das Verhältnis vom Partialdruck des Wasserdampfs (pv) zum Sättigungsdampfdruck (pvs) , welcher die maximale Menge Wasserdampf in einem Gas für vorgegebene Bedingungen definiert: j =pv/pvs. Sättigungsdampfdruck ist ausschließlich eine Funktion der Temperatur. B

69 B Diagnosemöglichkeiten Brennstoffzelle
H2 Training Manual Ein Diagnose-Tool kann schon während des Entwicklungsprozesses der Brennstoffzelle eingesetzt werden, um mögliche Fehler und deren Gründe aufzuzeigen. Zwei dieser Diagnose-Tools können Informationen über die Arbeitsweise der Brennstoffzelle geben: Polarisationskurve. Stromunterbrechung. B

70 H2 Training Manual Polarisationskurve Das Betriebsverhalten einer Brennstoffzelle wird durch ihre Polarisationskurve charakterisiert - ein Diagramm, bei dem das Zellpotential gegen die Stromdichte aufgetragen wird. Die Kurve kann in drei Bereiche eingeteilt werden: Bei geringer Stromdichte fällt das Zellpotential als Resultat der Aktivierungspolarisation stark ab. Bei mittlerer Stromdichte fällt das Zellpotential offensichtlich aufgrund der ohmschen Verluste linear mit dem Strom. Bei hoher Stromdichte ist die Abnahme des Zellpotentials mit zunehmender Stromdichte immer weniger linear. Dies ist das Resultat einer erhöhten Konzentrationspolarisation. B

71 H2 Training Manual Stromunterbrechung Polarisationskurve ist nützlich, gibt aber nicht immer genügend Informationen. Mit ihrer Hilfe kann z.B. nicht zwischen dem Fluten und Austrocknen einer Zelle unterschieden werden (beide haben Spannungsverlust zur Folge). Stromunterbrechungsmethode ermöglicht schnelle Messung des Zellwiderstands. Diese Methode erlaubt es, den Widerstand einer Zelle durch sehr kurze Stromunterbrechungen über einen Zeitraum zu bestimmen. Zellwiderstand wird bestimmt durch die Differenz der Zellspannung vor und nach der Unterbrechung, dividiert durch den Strom. Dies ermöglicht durch die Betrachtung der Zellwiderstandsentwicklung über einen bestimmten Zeitraum, zwischen verschiedenen Erscheinungen zu unterscheiden. Eine Polarisationskurve gibt zwar nützliche, aber nicht ausreichende Informationen über die Leistung der Brennstoffzelle. So würden sowohl das Fluten (der Elektroden) als auch das Austrocknen (der Membran) einer Zelle zum Spannungsverlust führen, ohne dass man mithife einer einzelnen Polarisationskurve zwischen den beiden Zuständen unterscheiden könnte. Eine schnelle Messung des Zellwiderstandes könnte konkretere Informationen über die Leistung der Zelle zur Verfügung stellen. So würde zum Beispiel das Austrocknen der Membran zum Anstieg des Widerstands führen. Eine Methode zur Zellwiderstandsbestimmung ist die Stromunterbrechung. Bei dieser Methode wird der Strom im Millisekundenbereich unterbrochen und der resultierende Spannungsanstieg bestimmt. Die Differenz der Zellspannung vor und nach der Unterbrechung dividiert durch den Strom ergibt den Zellwiderstand. B

72 B Sicherheitsaspekte beim Brenngas Wasserstoff
H2 Training Manual Wasserstoff stellt wie jeder andere Brennstoff oder Energieträger bei unsachgemäßer Handhabung ein Risiko dar. Die spezifischen physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs unterscheiden sich deutlich von denen herkömmlicher Brennstoffe. Während einige dieser Eigenschaften Wasserstoff eher weniger gefährlich machen, können andere ins Gegenteil umkehren. Wasserstoff stellt wie jeder andere Brennstoff oder Energieträger bei unsachgemäßer Handhabung ein Risiko dar . Daher muss das Risiko von Wasserstoff im Verhältnis zu den herkömmlichen Brennstoffen wie Benzin, Propan oder Erdgas gesehen werden. Die spezifischen physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs unterscheiden sich deutlich von denen herkömmlicher Brennstoffe. Während einige dieser Eigenschaften Wasserstoff eher weniger gefährlich machen, können andere ins Gegenteil umkehren. Insgesamt scheint H2 ein vergleichbar gefährlicher Stoff wie andere Brennstoffe zu sein. B

73 H2 Training Manual Sicherheitsrelevante Eigenschaften von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Brennstoffen Leckagewahrscheinlichkeit Volumen freigesetzter Brennstoff Energiegehalt freigesetzter Brennstoff Untere Zündgrenze in Luft (Vol.-%) Minimale Zündenergie Energiedichte bei Explosion Flammensichtbarkeit Wärmeabstrahlung der Flamme Rauchtoxzität der Flamme B

74 B Wahrscheinlichkeit Leck
H2 Training Manual Wahrscheinlichkeit Leck H2 ist das kleinste Molekül und hat somit eine größere Neigung zu entweichen als andere flüssige oder gasförmige Kraftstoffe. die Tendenz von Wasserstoff durch Löcher oder Verbindungen zu entweichen ist 1,26mal bis 2,8mal so groß wie die von Erdgas. Volumen und Energiegehalt des freigesetzten Kraftstoffs Bei sehr großen Lecks in Hochdruckbehältern ist die Leckrate durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. H2 hat eine höhere Schallgeschwindigkeit (1308 m/s) als Erdgas (449 m/s) und würde anfangs wesentlich schneller entweichen. Trotzdem würde durch ein Erdgasleck mehr Energie entweichen, weil die Energiedichte von Erdgas mehr als 3mal höher als die von Wasserstoff ist. Außerdem entweicht im Fall eines Lecks Wasserstoff viel schneller als jeder andere Kraftstoff und reduziert dadurch das Explosionsrisiko. Wahrscheinlichkeit Leck H2 ist das kleinste Molekül und hat somit eine größere Wahrscheinlichkeit zu entweichen als andere flüssige oder gasförmige Kraftstoffe. Basierend auf der Dichte, der Viskosität und des Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff ist die Tendenz von Wasserstoff durch Löcher oder Verbindungen von Niederdruckleitungen zu entweichen nur 1,26-mal bis 2,8-mal so groß wie die von Erdgas. Aufgrund der mehr als 3-mal größeren Energiedichte von Erdgas würde aus einem gleichgroßen Wasserstoffleck weniger Energie entweichen als bei einem Erdgasleck. Volumen und Energiegehalt des freigesetzten Kraftstoffs Bei sehr großen Lecks in Hochdruckbehältern ist die Leckrate durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. H2 hat eine höhere Schallgeschwindigkeit (1308 m/s) als Erdgas (449 m/s) und würde anfangs wesentlich schneller entweichen.Trotzdem würde durch ein Erdgasleck mehr Energie entweichen, weil die Energiedichte von Erdgas mehr als 3mal höher als die von Wasserstoff ist. Außerdem entweicht im Fall eines Lecks Wasserstoff viel schneller als jeder andere Kraftstoff und reduziert dadurch das Explosionsrisiko. B

75 B Untere Zündgrenze in Luft (Vol.-%) und Mindestzündenergie
H2 Training Manual Untere Zündgrenze in Luft (Vol.-%) und Mindestzündenergie Ein Wasserstoff/Luft-Gemisch kann in einem relativ weiten Volumenbereich von 4% bis 75% Wasserstoffanteil in der Luft brennen Andere Kraftstoffe haben viel begrenztere Zündbereiche: Erdgas (5,3-15%), Propan (2,1-10%) und Benzin (1-7,8%). Die untere Zündgrenze von Wasserstoff ist 4-mal höher als die von Benzin, 1,9-mal höher als die von Propan und ein bisschen geringer als die von Erdgas. Wasserstoff hat eine sehr geringe Mindestzündenergie (0,02 mJ); ungefähr eine Größenordnung unter der anderer Kraftstoffe. Ein Wasserstoff/Luft-Gemisch kann in einem relativ weiten Volumenbereich von 4% bis 75% Wasserstoffanteil in der Luft brennen. Andere Kraftstoffe haben viel begrenztere Zündbereiche: Erdgas (5,3-15%), Propan (2,1-10%) und Benzin (1-7,8%). Die Schlüsselgröße, die bestimmt ob sich ein Leck entzündet oder nicht, ist die untere Zündgrenze – und diese Größe ist bei Wasserstoff 4-mal höher als die von Benzin, 1,9-mal höher als die von Propan und ein bisschen geringer als die von Erdgas. Wasserstoff hat eine sehr geringe Mindestzündenergie (0,02 mJ); ungefähr eine Größenordnung unter der anderer Kraftstoffe.Zündenergie ist eine Funktion des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und bei Wasserstoff liegt das Minimum bei 25-30% Wasserstoffgehalt in der Luft. Die untere Zündgrenze ist mit der von Erdgas vergleichbar. B

76 B Energiedichte bei Explosion
H2 Training Manual Energiedichte bei Explosion Wasserstoff weist die geringste Energiedichte bei einer Explosion auf (22-mal geringer als Benzindampf). Sichtbarkeit, Wärmeabstrahlung und Rauchtoxizität der Flamme Wasserstoffflamme ist fast unsichtbar, was gefährlich sein kann. Wasserstoffflamme hat eine geringe Wärmeabstrahlung. Brennt Wasserstoff, wird nur Wasserdampf erzeugt (bei Benzinbrand auch Rauch und Ruß). Energiedichte bei Explosion Sollte es zu einer Explosion kommen, hat Wasserstoff die geringste Dichte aller Kraftstoffe in Bezug auf Explosionsenergie pro Einheit gespeicherter Energie. Bei gleichem Volumen ist die Energiedichte bei einer Explosion von Wasserstoff 22-mal geringer als bei einer Explosion von Benzindampf. Sichtbarkeit, Wärmeabstrahlung und Rauchtoxizität der Flamme Die Wasserstoffflamme ist nahezu unsichtbar, was gefährlich sein kann, weil man den Brand auch aus kurzer Entfernung nicht erkennt. Dieses Problem könnte durch den Zusatz von Chemikalien gelöst werden, die bei der Flamme für die nötige Leuchtkraft sorgen.. Die geringe Wärmeabstrahlung der Wasserstoffflamme bedingt, dass die Wahrscheinlichkeit viel geringer ist, dass Menschen verletzt oder Materialien in Brand gesetzt werden. Rauch und Ruß eines Benzinbrands sind gesundheitsschädlich, wenn sie eingeatmet werden, während brennender Wasserstoff nur Wasserdampf produziert. B