Brennstoffzellengrundlagen

Gleichgewichtspotential
„Die Gleichgewichtsspannung U0 der Zelle ergibt thermodynamischen Daten zu: U0 = ∆ G0 = 1.23 V n⋅ F ∆ G 0 : Freie Reaktionsenthalpie n: Anzahl der Elektronen (2) F: Faraday-Konstante (96487 C/mol) Für die Wasserreaktion errechnet sich unter Standardbedingungen eine Zellspannung von 1,23 V.“ Standardbedingungen sind ein Druck von 1013 hPa, eine Temperatur von 298 K und die Annahme der Reversibilität der Vorgänge. „In technischen Zellen sind verschiedene Faktoren, wie andere Betriebs- temperaturen oder Verluste zu berücksichtigen, die praktisch zu niedrigeren Zellspannungen im Bereich von 0,6 – 0,9 V führen“ (vgl. Ledjeff 1995,9.12). Abbildung 5 (Seite 15) zeigt den der Verlauf einer Strom-Spannungs- kennlinie einer Brennstoffzelle. Sie wird hauptsächlich zur Beurteilung einer Brennstoffzelle herangezogen, da man sehr gut die einzelnen Überspannungen erkennen kann und so Hinweise auf etwaige Probleme erhält. Im Bereich kleiner Stromstärkedichten (1) herrscht die Durchtrittsüberspannung vor. Im Bereich mittlerer Stromstärkedichten (2) ist die Ohmsche Überspannung zu erkennen. Im Abschnitt (3) schließlich überwiegt die Diffussionsüberspannung. Strom-Spannungskurve einer Brennstoffzelle Urev1200 1 : Bereich der Durchtrittsüberspannung 2 : Bereich der Ohm ́schen Überspannung 3 : Bereich der Konzentrationsüberspannung U0 1000 1 800 2 600 400 3 200 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Stromstärkedichte I in mA/cm2 Abbildung 5 Strom-Spannungskennlinie einer Brennstoffzelle, (vgl.Stimming 1999, 9.21) 2.2 Überspannungen Als Überspannung bezeichnet man die Differenz zwischen dem Gleich- gewichtspotential U 0 und dem Elektrodenpotential während dem Betrieb der Brennstoffzelle. Man unterscheidet verschiedene Arten von Überspannungen:

Durchtrittsüberspannung
Die Durchtrittsüberspannung hat ihre Ursache in der endlichen Geschwindigkeit des Ladungsdurchtritts durch die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Die beiden zu untersuchenden Prozesse an der Kathode und Anode befinden sich in einem dynamischen Gleichgewicht. Betrachtet man diese genauer, kommt man nach längerer Rechnung zu einer Gleichung, die die Abhängigkeit der Gesamtstromdichte von der Überspannung angibt:   α nF   (1 − α )nF   + − jD = jD + jD = j0  exp  η D  − exp  − η D  RT  RT     In der Literatur ist diese unter dem Namen Butler-Volmer-Gleichung bekannt. η D ist die Durchtrittsüberspannung und α der Durchtrittsfaktor, der den Bruchteil der zu durchlaufenden Helmholtzschicht (vgl. Kapitel 2.3) angibt. j D ist die Überlagerung der anodischen und kathodischen Teilstromdichten. Wenn man sich die Butler-Volmer-Gleichung für den Bereich kleiner Überspannungen von weniger als 10 mV betrachtet, so kommt man mittels Reihenentwicklung auf den linearen Zusammenhang zwischen Stromdichte und Spannung: η D = j RT zFj 0
j Anode: – H2→ ++ 2e 2H j+ j+ j- j- ηa Kathode: – 1⁄2O2+2H+ + 2e → 2O H ηc U(j) U Gleichgewichtsspannung ∆U 0 Abbildung 6: Graph der Butler-Volmer-Gleichung vgl.(Stimming,1999, 9.21) Bei Überspannungen größer als ca. 100 mV vereinfacht sich die Butler- Volmer-Gleichung. Der zweite Term verschwindet und nur der erste Term bleibt übrig:  α zF  j = j 0 exp  η D  RT  Mit steigender Überspannung steigt also die Stromdichte exponentiell an. 2.2.2 Reaktionsüberspannung Die Reaktionsüberspannung Reaktionsschritte nicht schnell tritt auf, genug wenn die ablaufen und gekoppelter so für die Gesamtgeschwindigkeit der Reaktion verantwortlich sind.

Diffusionsüberspannung
Die Diffusionsüberspannung beschreibt den Teil der Differenz zum Gleich- gewichtspotential, der aufgrund von langsamen Stofftransport der Reaktanten von der Elektrodenoberfläche weg und hin zu ihr entsteht. 2.3 Elektrodenprozesse Die Vorgänge in der Brennstoffzelle beruhen zu einem großen Teil auch auf den Vorgängen an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten. „Wenn Elektronen eine Elektrode verlassen und in der umgebenden Elektrolytlösung die lokale Konzentration der Kationen verringern, wird die Elektrode gegenüber der Lösung positiv geladen. Das einfachste Modell der Grenzfläche ist die elektrische Doppelschicht, die aus einer Schicht positiver Ladungen an der Oberfläche der Elektrode und einer umgebenden Schicht negativer Ladung in der Lösung besteht (oder umgekehrt). […] Das Helmholzmodell der Doppelschicht nimmt an, daß sich die solvatisierten Ionen entlang der Oberfläche der Elektrode aufreihen, aber durch die Moleküle ihrer Solvathülle in einer bestimmten Entfernung von Ihr gehalten werden.“(vgl. Hopp 1997,9.8) Diese Doppelschicht nun beeinflußt das Potential in der Nähe der Grenzfläche.

Es gibt im wesentlichen nur 5 unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen:

• Alkalische Brennstoffzelle, AFC
• Karbonatschmelze Brennstoffzelle, MCFC
• Phosphorsaure Brennstoffzelle, PAFC
• Protonenaustauschmembran Brennstoffzelle, PEMFC, Direktmethanol Brennstoffzelle, (DMFC)
• Oxidkeramische Brennstoffzelle, SOFC

Die DMFC ist eigentlich nur ein Spezialfall der PEMFC. Sie wird mit Methanol statt Wasserstoff als Brennstoff betrieben. Den Brennstoffzellen ist gemein, daß sie nach dem Prinzip der räumlichen Trennung von Brennstoff Elektronentransfer über und einen Oxidationsmittel äußeren arbeiten Stromkreis und der stattfindet. Die elektrische Energie in diesen Stromkreis kann dann technisch genutzt werden.

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