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Description
Flashcards by Lukas Berger, updated more than 1 year ago
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Created by Lukas Berger
almost 7 years ago
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| Question | Answer |
| wann ist die Brennstoffzelle erst wirtschaftlich sinnvoll? Was ist das Problem derzeit? | Sinnvoll nur bei regenerativer Wasserstofferzeugung! Reg. H2 derzeit noch nicht verfügbar! Hoher Energieinhalt (Heizwert), aber niedrige Speicherdichte! |
| Welche 7 Möglichkeiten der Wasserstoffherstellung gibt es? | |
| 3 Verfahren der Elektrolytischen Wasserstofferzeugung: | • alkalische Elektrolyse • Membranelektrolyse • Hochtemperatur-Dampf-Elektrolyse (T > 700 °C) |
| Wie funktioniert die Brennstoffzelle? | Umgekehrte Elektrolyse: H2 spaltet an der Anode ein Elektron ab und wird zu H+ das Elekron wandert rüber zur Kathode und erzeugt dadurch elektr. Strom über aüßeren Stromkreis -> Gleichstrom! Bei der Kathode nimmt O2 ein Elektron auf und wird zu O2- Durch die Membran treffen sich O2- und H+ -> H2O ensteht und Wärme wird dadurch abgegeben! |
| Was sind die Anforderungen an Elektroden und Elektrolyt? | Elektroden: • elektrische Leitfähigkeit • „Porosität“ (Zufuhr und Abfuhr der Reaktanden und Reaktionsprodukte, Transport der erzeugten Elektronen) Elektrolyt: • Gasdichtigkeit • Flüssigkeit, Schmelze oder Festkörper • bestimmt Zellentemperatur • Unterteilung Brennstoffzellen nach Elektrolyttyp (sechs Typen) |
| Was genau passiert an Anode und Kathode: | |
| Wie wird der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bestimmt? welche realen Gesamtwirkungsgrade sind möglich? Aufteilung des Wirkungsgrads ηBZ in Teilwirkungsgrade: | Bestimmung des Wirkungsgrades aus der abgegebenen elektrischen Leistung P, dem Heizwert des Anodengases Hu und dessen Massenstrom m: Reale Gesamtwirkungsgrade bis > 60 % möglich! |
| Typische Zahlenwerte und Kenngrößen von Wasserstoff-Sauerstoff-FC bei Normbedingungen: | |
| Elektrische Spannung in der realen Brennstoffzelle, Eigenchaften: | • liegt unterhalb der reversiblen Zellspannung Urev • nimmt mit zunehmenden Strom ab • Durchtrittsverluste ΔUD schon bei kleinen Strömen (Durchtritt von Elektronen durch Phasengrenzfläche zw. Elektrode und Elektrolyt) • Absinken der Spannung wg. Innenwiderstand ΔUR • Bei großen Strömen Zuführung der Reaktanden limitiert → Diffusionsverluste ΔUDiff (→ Zusammenbrechen der Zellspannung!) |
| Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle: | |
| • höchster Zellwirkungsgrad bei Nulllast • el. Zellleistung (P = UI): Leistungsmaximum kurz vor rapiden Anstieg der Diffusionsverluste • → bei Systemauslegung ist Kompromiss zwischen hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad gefragt! | |
| Brennstoffzellentypen: Unterscheidung nach Temperaturbereich und Art des Elektrolyten: Je nach Typus und Temperaturbereich unterschiedliche Brenngase und Oxidationsmittel. | |
| Brennstoffzellentypen und deren Typ, Brenngas(Anode), Elektrolyte, Betreibstemp., Oxidant(Katode) | |
| Wasserstoffgewinnung durch Reformierung (Vergasung) von Methan: | |
| Wie funkt. die Abtrennung von CO2? Was für eine Möglichkeit gibt es um H2 abzutrennen? | • Wäsche mit Aminen; z.B. - Ethanolamin (Lurgi) - N-Methylpyrrolidin (Lurgi) • Wäsche mit Polyethlylenglykol-Dimethylether • Druckwechseladsorption an Molekularsieben • H2-selektive Membranen (Palladium/Silber auf Keramikträgern) |
| Alkalische Brennstoffzelle (AFC) Eigenschaften: | • seit den 1950‘ zu technischer Reife entwickelt (Raumfahrt, Militär) • Betriebstemperaturen von 20 – 90 °C • Platin als Katalysator (Elektroden) • Elektrolyt meist verdünnte Kalilauge • sehr empfindlich gegen CO und CO2 • bei Betrieb mit CH4 aufwendiger Reinigungsprozess H2 • hoher Wirkungsgrad aber teuer → nur Spezialanwendungen |
| Membran-Brennstoffzelle (PEFC, PEMFC) EIgenschaften: | • Elektrolyt aus protonenleitender Folie (Basis: perfluorierte und sulfonierte Polymere; sauer!) • Betriebstemperaturen ca. 60 - 80 °C • Platin als Katalysator, Gasdiffusionselektroden • empfindlich gegen CO • bei Betrieb mit CH4 aufwendiger Reinigungsprozess H2 Hauptvorteil: Elektrolyt nicht korrosiv Hohe Energiedichte Am häufigsten verwendete FC |
| Wie kann man die Leistungsdichte erhöhen? Anwebdungsbereiche sind: WO hat die FC ihr größtes Potential? | Durchströmung der FC mit Gas größte Anwendungspalette vom mW, W - Bereich (z.B. Handy, Laptop) über mittleren Leistungsbereich (100 W – kW; z.B. Notbeleuchtung, Notstromversorgung) bis zu stationären Anwendungen (bis 250 kWel; BHKW) größtes Potential zur Anwendung in PKW (v.a. DMFC mit Betriebstemp. um 180 °C) |
| Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) EIgenschaften: | Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) • Wasserstoff-FC, Elektrolyt (verdünnte Phosphorsäure) nur für H+ leitfähig • Einbinden der Säure in poröse Matrix (z.B. Platten aus Graphit, Siliziumcarbid oder Asbest) • Betriebstemperaturen ca. 200 °C • Platin als Katalysator • empfindlich gegen CO • bei Betrieb mit CH4 vollständige ShiftReaktion nötig • kostengünstigste FC • stationärer Einsatz • el. Wirkungsgrad ca. 40 % • Abwärmenutzung |
| Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Eigenschaften 1.: | • Elektrolyt aus Karbonatschmelze (meist ca. 60 % Lithiumcarbonat, 40 % Kaliumcarbonat) • Karbonatmischung wird über 500 °C flüssig → leitfähig für Karbonationen (CO3)2- • Anodenreaktion: (CO3)2- → 2 e- + CO2 + ½ O2 • Regeneration (CO3)2- Ionen nötig → Zuführung CO2 zur Kathode • Betriebstemperatur ≈ 650 °C • kein Katalysator nötig • teilweise Reformierung noch nötig |
| Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Eigenschaften 2.: | • unempfindlich gegen CO und CO2 • sehr gute Eignung für Betrieb mit Methan / ger. Biogas • hohe Arbeits- (Abgas) –Temperaturen → gute Eignung zur KWK (z.B. Nahwärme, Prozessdampferzeugung) • el. Wirkungsgrade bis 50 % Gesamtwirkungsgrade > 90 % • marktreife Systeme |
| Oxidkeramische-Brennstoffzelle (SOFC) Eigenschaften: | • Elektrolyt: keramischer Festkörper (meist Zirkoniumoxid dotiert mit ca. 20 % Yttriumoxid), oxidionenleitend • Betriebstemperaturen 800 – 1000 °C • chemische Umwandlung direkt in FC • u.U. Vorreformierung (flüssige KW) • kein Katalysator nötig • unverbrannte Anodengase zur Beheizung Zelle/Vorreformer • rel. Einfacher Systemaufbau • hohe Betriebstemperaturen → gute Eignung zur KWK bzw. zur Gaserhitzung für Gasturbinen • Wärmedehnungen und –spannungen → neben planaren Zellenstapeln auch tubulare Konzepte • Verbund von einseitig geschlossenen Röhren → innen Luft, außen Brenngas • höhere Leistungsdichten, geringere Fertigungskosten Generell: SOFC noch im Entwicklungs- Markteinführungsstadium! |
| Gebäudebeheizung / Stromerzeugung mit Brennstoffzellen: | • Breit angelegte Praxistests in Haushalten abgeschlossen • PEM und SO Zellen erprobt • aktuell Markteinführung |
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