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Brennstoffzelle
Roland Fuchsberger
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Inhalt
• Elektrochemische Grundlagen
– Elektrochemische Zelle
– Faradaysches Gesetz
– Nernstsche Gleichung
• Brennstoffzelle
– Geschichte
– Verschiedene Typen
• Marktanalyse
– Portabel
– Transport
– Stationär
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ELEKTROCHEMISCHE
GRUNDLAGEN
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Elektrochemische Zelle
[www.saugstelle.de]
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Elektrolyse, Klemmspannung, EMK
[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie I, 1982]
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Faradaysches Gesetz
F: Faraday-Konstante (96 485 C · mol−1)
n: Stoffmenge (in mol)
Q: Ladungsmenge ( = Strom * Zeit in A s)
Beispiel Silberabscheidung:
M: molare Masse (g/mol)
z: Elektronenladung der Reaktion
[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie I, 1982]
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Reaktionsenthalpie
Allgemeine Redoxreaktion:
Reaktionsenthalpie:
Galvanisches Element:
Elektrolysezelle:
vi: Molmenge
Si: Substanz
G: molare, freie Reaktionsenthalpie
z: Ladung des Ions
F: Faradaysche Konstante
E0: Elektromotorische Kraft
Ekl: Klemmspannung
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Elektrochemisches Potential, Doppelschicht
µi: Chemisches Potential
µi0: Standard-Chemisches Potential
R: Gaskonstante
T: Temperatur
ai: Aktivität
[www.saugstelle.de]
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Reaktionsenthalpie:
Elektrochemische Potential:
Reaktion:
Nernstsche Gleichung:
Nernstsche Gleichung
z: Ladungszahl
F: Faradaysche Konstante
E0: Potential
µi: Chemisches Potential
µi0: Standard-Chemisches Potential
R: Gaskonstante
T: Temperatur
ai: Aktivität
aivi: Aktivität d. Molmenge vi
E00: Standardbezugspotential
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Spannungsreihe
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Überspannung
η: Überspannung
Ekl: Klemmspannung
E0: Potential
[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982]
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Thermodynamischer Wirkungsgrad (1)
[Chemie in unserer Zeit, Nr. 6, 1997]
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Thermodynamischer Wirkungsgrad (2)
[www.chemgapedia.de]
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BRENNSTOFFZELLE
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Geschichte (1)
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Geschichte (2)
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Wasserstoff-Sauerstoff Brennstoffzelle
Alkalische Lösung:
Anode
Kathode
Saure Lösung:
Anode
Kathode
[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982]
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3-Phasenzone (1)
[www.chemgapedia.de] [C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982]
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Technische Universität München
3-Phasenzone (2)
[C. Sun et al., Cathode materials for solid oxide fuel cells: a review, 2010]
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Aufbau der Elektrode
[www.chemgapedia.de] [www.chemgapedia.de]
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Herausforderungen an das Kathodenmaterial
am Beispiel SOFC:
1. Hohe elektronische Leitfähigkeit
2. Passender Temperaturausdehnungskoeffizient
3. Passende Porosität
4. Stabilität unter oxidierenden Atmosphäre
5. Hohe katalytische Aktivität zur O2 Reduktion
6. Niedrige Kosten
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Polymerelektrolytmembran BZ
Anode:
Kathode:
Gesamtreaktion:
Nafion:
[de.wikipedia.org]
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Direkt Methanol Brennstoffzelle (1)
Anode:
Kathode:
Gesamtreaktion:
[de.wikipedia.org]
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Technische Universität München
Direkt Methanol Brennstoffzelle (2)
[www.chemgapedia.de]
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Oxidkeramik-Hochtemperatur Brennstoffzelle
[C. H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, 1982] [de.wikipedia.org]
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Technische Universität München
Überblick
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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MARKTANALYSE
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Überblick
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Portable Anwendungen
Ausbildungs-Brennstoffzellen
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Portable Anwendungen
Hilfsversorgung
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Portable Anwendungen
Consumer Electronic
[gizmodo.com.br]
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Transport
Materialtransportfahrzeuge
[solar-sicherheit.de]
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Transport
Leicht-Nutzfahrzeuge
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Transport
Bus
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Transport
Anderer Transport
[de.wikipedia.org]
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Stationäre Anwendungen
Primärenergie
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Stationäre Anwendungen
Micro-Combined Heat and Power
[www.chemgapedia.de]
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Stationäre Anwendungen
Unterbrechungsfreie Stromversorgung
[fuelcellmarkets.com]
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Infrastruktur
Portabel
[gadgetmagazin.de]
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Infrastruktur
Transport
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Entwicklungen nach Elektrolyttypen
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Katalysator: Platinum
[Fuel Cell Today, Industry Review 2011]
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Ausblick
Ausblick