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UNIVERSITÄTBAYREUTHSeminar „Übungen im Vortragen – PC und AC“BrennstoffzelleChristine Meußler, SS 02; Juliane Fleissner, WS 14/15; Sebastian Rampp, SS 20Gliederung1Anwendung . 12Aufbau einer Brennstoffzelle . 23Funktionsweise der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle . 34Thermodynamische Betrachtung der PEMFC . 45Kinetische Betrachtung der PEMFC . 66Vor- und Nachteile . 76.1Vorteile . 76.2Nachteile . 77Aus der Geschichte . 88Weitere Typen von Brennstoffzellen . 9Einstieg 1: Die fossilen Brennstoff-Vorkommen gehen zur Neige und damit werden auchdie Preise für Benzin, Diesel usw. immer weiter steigen. Aber das ist uns und unsererWirtschaft zuzuschreiben. Überall in der Technik schreiten wir voran, sei es bei der Entwicklung vom Schwarz-Weiß-Röhren-Fernseher bis hin zum 3D-HD-Plasmafernseher oder bei der Entwicklung der Mobil-Telefone, die oft leistungsstärker sind als mancherComputer. Nur unsere Fahrzeug-Antriebe funktionieren noch nahezu genauso, wie vor130 Jahren. Eigentlich ist es auch hier an der Zeit voranzuschreiten und auf einen alternativen Antrieb oder Brennstoff umzusteigen. Wasserstoff als Brennstoff ist doch eigentlich eine Alternative, die uns bereits lange bekannt ist und großes Potential besitzt. Tatsächlich werden schon einige Brennstoffzellen-Typen eingesetzt. Wo diese bereits Anwendung finden, wie diese funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie uns bringensoll im Folgenden geklärt werden.Einstieg 2: Als sich meine Familie an Weihnachten getroffen hat, haben mein Onkel undich über Autos geredet. Da er bei einem Autohersteller arbeitet hat er erzählt, dass zurzeitviel an der Brennstoffzellentechnik zum Antrieb geforscht wird. Daraufhin habe ich michgefragt, ob das Problem dieser Antriebsart die Brennstoffzelle selbst ist oder ob es mitder Wasserstofflagerung zu tun hat.1AnwendungFür die Brennstoffzellentechnik gibt es einige mögliche Anwendungen. So können Brennstoffzellen in kleinen Einheiten zur Strom- und Wärmeversorgung von einzelnen Haushalten, oder als Kraftwerke (stationäre Energie-Versorger) für Wohnanlagen und öffentliche Gebäude, wie beispielsweise das Röhn-Klinikum in Bad Neustadt, genutzt werden.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist der Einsatz in Fahrzeugen, um diese umweltfreundlicher zu betreiben. Auch für Handys, Handy-Ladestationen, Laptops und andere tragbareElektrogeräte wäre die Brennstoffzelle als Akku-Ersatz denkbar. In der Raumfahrt wirddiese Technik schon lange eingesetzt, da für die Flüge sowieso Sauerstoff mit an Bordsein muss. Das bei der Brennstoffzelle entstehende Wasser findet hier sogar noch Anwendung als Trinkwasser für die Astronauten. Auch im Militär ist diese Technik schonlänger im Gebrauch und wird z. B. zur Energiegewinnung in U-Booten eingesetzt.2Aufbau einer BrennstoffzellePrinzipiell sind Brennstoffzellen nichts Geringeres, als eine Galvanische Zelle, die auszwei Galvanischen Elementen besteht. Als galvanisches Element bezeichnet man eineelektrochemische Halbzelle, in der die freie Energie eines chemischen Vorgangs in freieelektrische Energie umgewandelt wird. Galvanischen Zellen können unterteilt werden in: nicht regenerierbare Primär-Elemente (z. B. Batterien) regenerierbare Sekundär-Elemente wie Akkumulatoren (wieder aufladbar) Brennstoffzellen, bei denen die reagierenden Substanzen während der Reaktion zuund die Oxidationsprodukte abgeleitet werden, wodurch eine kontinuierliche Stromerzeugung möglich ist.Somit ist die Brennstoffzelle ein galvanisches Element, in dem durch elektrochemischeOxidation einer leicht oxidierbaren Substanz (z. B. Wasserstoff, Methanol) mit Sauerstoff(„elektrochemische Verbrennung") elektrische Energie erzeugt wird. Sie besteht aus zweikatalytisch wirksamen, porösen und deshalb für die Reaktionsprodukte durchlässigenMetall-Elektroden (Platin, Nickel) oder metallbeschichteten Kohle-Elektroden, zwischendenen sich ein Elektrolyt befindet (Phosphor- bzw. Schwefelsäure, Kalilauge, Salzschmelzen aus Alkalicarbonaten oder Alkalichloriden, Ionen leitende keramische Feststoffe). Die beiden Elektrolyt-Lösungen sind durch eine Membran voneinander räumlichgetrennt.Abb. 1: Allgemeiner Aufbau einer Brennstoffzelle2

3Funktionsweise der Wasserstoff-Sauerstoff-BrennstoffzelleDas bekannteste Beispiel für eine Brennstoffzelle ist die mit Wasserstoff und Sauerstoffbetriebene Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (oft fälschlicherweise als Knallgaszelle bezeichnet): PEM-BZ, (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PolymermembranBZ) mit Nafion als Membranmaterial. Sie gehört zu den Niedertemperatur-BZ.Von außen wird unter Druck kontinuierlich Wasserstoff (H2) an die „Brennstoff-Elektrode“(Anode) und Sauerstoff (O2) an die „Oxidator-Elektrode“ (Kathode) herangeführt. DieWasserstoff-Moleküle werden an der Anode in Wasserstoff-Ionen (Protonen, H ) u. Elektronen (e-) zerlegt:2H2 4H 4eDie Protonen strömen durch den Elektrolyten und die Membran zur Kathode, die Elektronen laden die Anode negativ auf. Die Sauerstoff-Moleküle der Kathode werden durchAufnahme von Elektronen in Sauerstoff-Ionen(O2-) zerlegt, wobei sich die Kathode positivauflädt:2-O2 4e- 2OEs entsteht so zwischen den beiden Elektroden eine Spannung von etwa 1 Volt. Verbindet man beide Elektroden über einen äußeren Stromkreis, an dem ein elektrischer Verbraucher (z. B. Glühlampe oder Propeller) angeschlossen ist, so fließen die Elektronenüber diesen von der Anode zur Kathode und leisten dabei elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich die Wasserstoff- und Sauerstoff-Ionen zu Wasser, das kontinuierlichaus dem Elektrolyten abgetrennt wird. Die Gesamt-Reaktion:2H2 O2 2H2 OΔH 571,6kJmolentspricht der Knallgasreaktion, die, durch räumliche Trennung der Oxidation des H2 vonder Reduktion des O2, in kontrollierter Form stattfindet.Aufgrund der geringen Spannung (1 V), die eine einzelne Brennstoffzelle liefert, müssenfür gewöhnlich mehrere Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzellen-Batterie zusammengeschaltet werden.3

Abb. 2: Aufbau einer PEM-BrennstoffzelleAnimation in PowerPoint4Thermodynamische Betrachtung der PEMFCUm zu bestimmen wie viel Energie eine Brennstoffzelle generieren kann muss man einigeAspekte der Thermodynamik betrachten. Der folgende Abschnitt bezieht sich auf die Reaktion:1O H2 H2 O2 2Da es sich bei einer Brennstoffzelle um ein Galvani-Zelle handelt, muss zunächst einmaldie Standardzellspannung bestimmt werden. Diese wird mit der FormelꝋΔR GE z Fmit z der Anzahl der Übertragenen Elektronen und F der Faraday-Konstante berechnet.ꝋUm die Freie Reaktionsenthalpie Δ𝑅 𝐺 ꝋ zu berechnen, werden zuerst die Reaktionsenthalpie Δ𝑅 𝐻 ꝋ, sowie die Entropie Δ𝑅 𝑆 benötigt. Dabei ist zu beachten, dass unterschiedenwerden muss, ob das entstehende Wasser in der flüssigen oder der gasförmigen Phasevorliegt.Zunächst soll die Reaktionsenthalpie Δ𝑅 𝐻 ꝋ berechnet werden. Dazu werden die WertekJkJkJkJꝋꝋꝋΔHꝋH2 0 mol , ΔHO2 0 mol, ΔHH2 O(g) -241,82 mol, ΔHH2 O(l) -285,83 mol benötigt. Mit der FormelΔR Hꝋ ν ΔHꝋ - ν ΔHꝋProdukteEdukteergeben sich die folgenden Reaktionsenthalpien:1kJꝋꝋꝋΔ R HꝋH2 O(l) ΔHH2 O(l) - ΔHH2 ΔHO2 -285,832molund4

1kJꝋꝋꝋΔR HꝋH2 O(g) ΔHH2 O(g) - ΔHH2 2 ΔHO2 -241,82 mol.Für die Berechnung der Entropie Δ𝑆 ꝋ werden die folgenden Werte benötigt:JJJJꝋꝋꝋꝋΔSH2 130,684 K mol , ΔSO2 205,138 K mol, ΔSH2O(g) 188,83 K mol, ΔSH2O(l) 69,91 K mol. Mitder Formelꝋꝋ ν ΔS - ν ΔSΔR S ProdukteꝋEdukteergeben sich die folgenden Reaktionsenthalpien:1JꝋꝋꝋꝋΔR SH2 O(l) ΔSH2O(l) - (ΔSH2 ΔSO2 ) -163,3432K molundꝋꝋꝋ1JꝋΔR SH2O(g) ΔSH2O(g) - (ΔSH2 2 ΔSO2 ) -44,423 K mol.Nun kann die Freie Reaktionsenthalpie mit der FormelꝋΔR G ΔR Hꝋ -TΔR Sꝋberechnet werden, wobei als Temperatur die Raumtemperatur (298 K) verwendet wird.Somit erhält man die folgenden Freien Reaktionsenthalpien:ꝋꝋΔR GH2O(l) ΔR HꝋH2 O(l) -TΔR SH2 O(l) -237,15kJmolundꝋkJꝋΔR GH2O(g) ΔR HꝋH2 O(g) -TΔR SH2 O(g) -228,58 mol.Somit ergeben sich die Standardzellpotenziale:ꝋEꝋH2 O(l) -ΔR GH2 O(l)z F 1,23 VundꝋΔR GH O(g)2Eꝋ H2 O(g)z F 1,18V.Als letztes muss noch die Änderung des Standardzellpotenzials bei der Änderung derTemperatur betrachtet werden.ꝋꝋꝋ Eꝋ ΔR G ΔR Hꝋ -TΔR SΔR S () () T Tz F Tz Fz FDamit ergeben sich die folgenden Temperaturänderungen:ꝋ EꝋmVH2 O(l) ΔR SH2 O(l) -0,85 Tz FKund EꝋH2 O(g) Tꝋ ΔR SH O(g)2z F -0,23mVK.Setzt man nun die Standardzellpotenziale, sowie die Änderung in die Nernst‘sche Gleichung Produkte pνRTE E ln () Edukte pνzFꝋ5

ein, so erhält man die Spannung, die die Brennstoffzelle liefert.1,23 V-0,852E (T,pH ,pO ,pH O ) 22mVRT1(T-298 K)ln () ,T 373 KK2FpH p0,5O21,18 V-0,23{2pH OmVRT2(T-298 K)ln () ,T 373 KK2Fp p0,5H2O2𝑝𝐻2 200 𝑏𝑎𝑟𝑝𝐻2 100 𝑏𝑎𝑟𝑝𝐻2 1 𝑏𝑎𝑟Abb. 3: Theoretische Spannung einer PEMFC in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem Partialdruckvon H2O von p 0,8 bar und einem Partialdruck von O2 von p 0,21 bar bei verschiedenen WasserstoffPartialdrückenAus der Nernst’schen Gleichung und Abb. 3 lassen sich folgende Aussagen über diePEMFC treffen: 5Je höher die Temperatur, desto geringer die SpannungJe höher der Partialdruck von H2O, desto geringer die SpannungJe höher der Partialdruck von H2, desto höher die SpannungJe höher der Partialdruck von O2, desto höher die SpannungKinetische Betrachtung der PEMFCDa die thermodynamische Betrachtung nur für Systeme im Gleichgewicht gilt, muss dieKinetik der Brennstoffzelle ebenso betrachtet werden, da sie nicht mehr im Gleichgewichtist sobald der Stromkreis geschlossen wird. Dazu wird die Kennlinie einer Brennstoffzellebenötigt.Abb. 4: Schematische Kennlinie einer Brennstoffzelle6

Im Bereich I kommt es vor, dass Wasserstoffmoleküle durch die Membran diffundieren,wodurch der Elektrodenstrom um zwei Elektronen vermindert wird. Im Lastbetrieb kanndieser Effekt vernachlässigt werden. Im Ruhezustand oder bei geringen Stromdichtenkann dieser Effekt einen großen Einfluss auf das Zellpotenzial haben und dieses verringern.Im nächsten Bereich (II) kommt es zu einem nahezu linearen Spannungsverlust, durchdie Widerstände der ionischen und elektrischen Leitung in der Brennstoffzelle.Im letzten Bereich (III) kommt es zu einem Rapiden Abfall, da die Edukte nicht mehrschnell genug zu den Reaktionsstellen transportiert werden können und/oder die Produkte nicht schnell genug abtransportiert werden, wodurch die Brennstoffzelle ersticktwird.66.1Vor- und NachteileVorteileEin wichtiger Vorteil der Brennstoffzelle gegenüber anderen Methoden zur Energiegewinnung ist ihre hohe Effizienz. Sie hat einen hohen Wirkungsgrad (43 – 68%) aufgrund derdirekten Energieumwandlung in elektrischen Strom. Im vergleich zu anderen mechanischen Energieumwandlungen sind hierbei keine beweglichen Motorteile vorhanden, diezu Verschleiß und Energie-Verlusten durch Reibung führen.Ein weiterer Grund weshalb die Brennstoffzellentechnik in der Zukunft wichtig wird, istdass diese sehr Umweltschonend ist. Sie produziert als Abgas lediglich Wasser und siebenötigt keine fossilen Brennstoffe. Auch die Lärmbelästigung, die bei anderen Energieumwandlern vorhanden ist, fehlt hier gänzlich.Die Brennstoffzelle hat ein gutes Anfahrverhalten und eine schnelle Reaktion auf Lastenwechsel. Außerdem arbeitet sie bei geringen Betriebstemperaturen. So benötigt das Niedertemperatursystem lediglich Temperaturen zwischen 60 C und 120 C.Ein letzter wichtiger Punkt ist ihre Lange Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichenBatterien und Akkumulatoren. Auch ihre schnelle Betankung ist nicht zu vernachlässigen.6.2NachteileDie Brennstoffzellentechnik ist noch teuer, weshalb sie noch nicht so verbreitet ist. Sosind Brennstoffzellen-Autos noch nicht in Massenproduktion und es sind nur wenigeExemplare auf den Straßen zu finden.Ein weiterer Nachteil ist die Empfindlichkeit der Elektroden gegenüber CO im Brenngas.Dieses Problem kann jedoch durch den gezielten Einsatz von bestimmten Katalysatorenminimiert werden.Auch die Membran hat einige Schwachstellen. Aufgrund der Anforderungen ist sie sehrflexibel, wodurch ihre Verarbeitung erschwert wird. Des Weiteren kann der Gasaustauschan ihr nicht vollständig verhindert werden, wodurch die Leistungsfähigkeit etwas geringerwird. Sie muss auch dauerhaft feucht gehalten werden, da sie sonst ihre Leitfähigkeitverliert. Um diese Nachteile aus dem Weg zu schaffen, wird an neuen Membranen geforscht, die weniger Probleme aufweisen.7

7Aus der GeschichteDas Grundprinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von William Grove entdeckt.Die technische Realisierung und Nutzung scheiterte jedoch an erheblichen MaterialProblemen. Nach 1920 gelang die Entwicklung von Gasdiffusionselektroden mit Platinals Katalysator-Material, die einen Niederdruck-Temperaturbetrieb ermöglichten.Die Arbeiten von F. T. Bacon in den 50er und 60er Jahren zur alkalischen Brennstoffzellebildeten die Grundlage zur Nutzung in der Raumfahrt bei der ersten Mond-Landung.Abb. 5: W. Grove und seine Ur-Brennstoffzelle [20]8

8Weitere Typen von ngPolymer60 - 90 CElektrolytBZ(PEMFC)PolymermembranWasserstoff, Reformergas raftwerke50 - 60%AlkalischeBZ (AFC)50 - 90 CKalilaugeWasserstoffRaumfahrt,Schifffahrt50 - 65%Mitteltemperatur-BZPhosphorsäure-BZ(PAFC)200 CPhosphorsäureWasserstoff, Reformgas1 - 100 MW-Kraftwerk35 - 40%Hochtemperatur-BZKarbonatschmelzenBZ (MCFC)650 CCalciumcarbonatWasserstoff, Methan1 - 100 MW 35 - 40%- Kraftwerk,50 - 500 kWBlockheizkraftwerkFestkeramik-BZ(SOFC)850 - 1000 C CalciumcarbonatWasserstoff, Methan,KohleGas1 - 100 MW 50 - 60%- Kraftwerk,50 - 500 peraturWirk.gradZusammenfassung: Brennstoffzellen sind eine echte Alternative zu herkömmlichenEnergie-Trägern und gelten als große Hoffnungsträger für die Umwelt: Sie erzeugen weniger umweltschädliche Gase, weisen einen hohen Wirkungsgrad auf und sind dazu nochextrem leise.Dabei sollte nicht aus den Augen verloren werden, dass die Spannung einer Brennstoffzelle ist von vielen Faktoren abhängig, wie der Temperatur, den Partialdrücken der Edukte (und der Produkte), sowie von kinetischen Einflüssen.Abschluss 1. Brennstoffzellen sind im Gegensatz zu anderen Energie-Technologiezweigen noch extrem ausbaufähig. Natürlich überwiegen zur Zeit Nachteile wie beispielsweise zu hohe Kosten in der Herstellung. Aufgrund ständiger Forschung sind EffizienzSteigerungen (Wirkungsgrad, Miniaturisierung) und Kosten-Senkungen abzusehen. Momentan haben Brennstoffzellen einen Wirkungsgrad von ca. 30%. Ein Benzinmotor liefert20 - 30%. 40 bis 60% wäre für Brennstoffzellen wünschenswert und für die Zukunft alsrealistisch zu erachten.Erste Prototypen von brennstoffzellbetriebenen Fahrzeugen sind bereits heute im Einsatz. Selbst Brennstoffzell-Busse fahren schon regelmäßig in manchen Städten und auchTankstellen (z. B. Total) wollen ihre Vertriebsstellen mit grünem Wasserstoff, aus Hybridkraftwerken (eines z. B. in Prenzlau), beliefern. Somit sind schon die ersten Weichen gestellt und es ist zu hoffen, dass von nun an Jahr für Jahr mehr Brennstoffzellen-Fahrzeugeauf unseren Straßen zu sehen sind, vorausgesetzt die momentan noch bestehendenNachteile können weitestgehend minimiert werden.9

Abschluss 2: Das es heutzutage noch immer so wenige Brennstoffzellenautos auf denStraßen gibt liegt nicht an der Brennstoffzelle. Diese würde in einem Stack genug Leistung erbringen, um ein Auto anzutreiben.Die derzeitigen Probleme der Brennstoffzellenautos sind die Wasserstofflagerung imAuto, sowie das zu schlecht Ausgebaute System der Wasserstofftankstellen.Quellen:1.Gülzow, E., Brennstoffzellen – ein Überblick über den Stand der Technik, Phys. B.53, Nr. 1, 1997.2.Kordesch, Karl V.; Simader, Günther R.: Fuel Cell and their Applications, VCH,1996.3.Beck, Wolfgang; Killian, Ludwig: Chemie3, Oldenburg-Verlag, München 1996.4.Grunwald, Bernd; Scharf, Karl-Heinz: Elemente Chemie Bayern 11, Ernst KlettSchulbuchverlag, Stuttgart, 1994.5.Borucki, Hans; Fischer, Wilhelm: Schüler Duden Chemie, Dudenverlag, Mannheim1995.6.Linsmeier, Klaus-Dieter: Brennstoffzelle: Kunstvolle Membranen, Spektrum der Wissenschaft, September 2001, S. 66-69.7.Baier, W.: Siemens Standpunkt, Strom mit Hilfe der Elektrochemie: sauber, leise undnoch sehr teuer, Nov. 1993.8.http://www.sueddeutsche.de/index.php?url wissenschaft/dosier/04789, 10.07.2002(Quelle verschollen, url wissenschaft/dosier/04795, 10.07.2002(Quelle verschollen, 03.08.2020)10. 200203.08.2020)(Quelleverschollen,11. , 13.07.2002 (Quelle verschollen, 03.08.2020)12. P. Berger, H2Tec, Apr. 2000, S.17.13. Reiche, A.; Haufe, S.; Chemie in unserer Zeit, Heft 38, Wiley-VCH-Verlag, Weinheim2004, 400-411, (Abb. 1)14. nwendung.shtml, 02.10.1415. ieUmwelt/Brennstoffzellen/SOFC/node.html, 05.10.14 (Quelle verschollen 03.08.2020)16. wende-dank-wasserstoff-wind-im-tank-a-793840.html, 14.10.1417. -verkehr, 14.10.14 (Quelle verschollen 03.08.2020)18. http://www.hydrogeit.de/wasserstoff-motor.htm, 14.10.1419. http://www.hydrogeit.de/vergleich.htm, 14.10.1420. https://de.wikipedia.org/wiki/William Grove , 16.02.201621. Atkins, Peter W.; de Paula, Julio, Physikalische Chemie, WILEY-VCH Verlag, Weinheim 201310

22. Kurzweil, Peter, Brennstoffzellentechnik, Springer Verlag, Wiesbaden 201623. http://www.pemfc.de/pemfc.html, 03.06.202024. tation Helmut L%C3%B6hn mit Lebenslauf 211110.pdf, 03.06.202011

Ein weiterer Grund weshalb die Brennstoffzellentechnik in der Zukunft wichtig wird, ist dass diese sehr Umweltschonend ist. Sie produziert als Abgas lediglich Wasser und sie benötigt keine fossilen Bren