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

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

Thermodynamische Daten Standardtemperatur T0 = 298 K; Standarddruck p0 = 1 bar Standardzusammensetzung: ai0 = 1 (ai: Aktivität der Komponente i) *) reversibel, isotherm, p = const Thermodynamische Daten nach: Atkins, Physical Chemistry

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

Katalytische Oxidation

Elektrochemische Oxidation Adsorption Dissoziation Ladungsübertragung Diffusion Kombination Desorption

Standardbedingungen; reversibel, isotherm, p = const Zellspannung

Standard-Elektrodenpotentiale

Konzentrationsabhängigkeit der Standard-Elektrodenpotentiale R = 8.314 JK-1mol-1 T/K: Temperatur E/V: konzentrationsabhängiges Elektrodenpotential Beispiel: Brennstoffzelle mit Luft anstelle von Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel mit:

Reale Zellen Zellspannung, berechnet: DE(298 K) = 1.23 Volt (O2 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 H2O2) - Polarisation des Katalysators (Bildung von Platinoxiden) - Diffusion von Wasserstoff auf die Kathodenseite Reale Zellen I = 0; keine Last

Leistungsdaten von Brennstoffzellen

Kennlinien einer PEM-Brennstoffzelle Spannung UEZ/Stromdichte jnorm Wärmeleistung elektrischer Wirkungsgrad el bezogen auf den unteren Heizwert, DHu mit H2O (g) elektrische Leistung Stromkennzahl SKZ Kennlinien einer PEM-Brennstoffzelle Quelle: http://www.pemfc.de/

Kinetik: Widerstände in der Zelle bei Last (I  0) R = U/I Hauptwiderstand = geschwindigkeitsbestimmender Teilschritt 1V > UEZ > 0.8 V Sauerstoff-Überspannung - Ladungsübertragung - H2O-Bildung 0.8 V > UEZ > 0.5 V Ohmscher Widerstand der Zelle (quasi-linear) - spezifische Widerstände der verwendeten Materialen UEZ < 0.4 V Diffusion - Antransport von H2 und O2  gel  0.5 < gtheo = 0.83

Reaktionsmechanismen der elektrochemischen Oxidation Anode Kathode PEM Reaktionsmechanismen der elektrochemischen Oxidation PEM-Brennstoffzelle (T < 60 oC)

Reaktionsmechanismen der elektrochemischen Oxidation Anode Kathode ZrO2$Y2O3 (YSZ) Reaktionsmechanismen der elektrochemischen Oxidation SOFC-Brennstoffzelle (T l 800 oC)

PEM-Brennstoffzellen-Stack PEM-Brennstoffzellen-Stack anode/cathode backing: mechanische Stabilität; Gasverteilung PEM: Proton Exchange Membrane = Elektrolyt Bipolarplatte: Gaszufuhr, Diffusionsbarriere PEM-Brennstoffzellen-Stack Quelle: http://www.pemfc.de/

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

Leistungsdaten eines SOFC-Stacks Quelle: Björn Erik Mai et al. Staxera GmbH, Gasanstaltstrasse 2 D-01237 Dresden / Germany Leistungsdaten eines SOFC-Stacks

Ammoniak-Verbrennung - SOFC oder PEMFC?

Direkte Ammoniak-Oxidation in der SOFC Anode Kathode Adsorption Ammoniakdissoziation hohe Aktivierungsenergie Diffusion Ladungsübertragung Kombination 2 H+ + O2-  H2O 2 N  N2 Desorption Katalysator Katalysator ZrO2$Y2O3 (YSZ) Direkte Ammoniak-Oxidation in der SOFC (T l 800 oC)

Zellspannung Zellspannung Zellspannung Kathode Kathode Anode Anode PEM ZrO2$Y2O3 Zellspannung

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? Zusammenfassung