6.3 Stromerzeugung mit galvanischen Zellen • Aufbauprinzip

6.3
Stromerzeugung mit galvanischen Zellen
• Aufbauprinzip
–
+
Kontakte
Abdichtung
Elektrolyt
Stromkollektor
Anode
Kathode
Behälter
Separator (Diaphragma)
Anode:
Oxidation eines Metalls
2+
2+
+
(Zn, Pb, Li
Zn , Pb , Li )
Kathode:
Reduktion eines Oxidationsmittels
(MnO2, PbO2, Ag2O)
Elektrolyt:
Ionenhaltige wässrige/nichtwässrige
Lösung (eventuell eingedickt),
kann an der Zellreaktion teilnehmen
Separator:
Trennschicht gegen unerwünschte
Vermischungen
•
Arten von galvanischen Zellen
Primärzellen
sind Einmal-Zellen, bei denen keine Wiederaufladung möglich ist.
Sekundärzellen (Akkumulatoren)
sind Zellen, bei denen die Ausgangsstoffe durch
einen Aufladeprozess regeneriert werden können.
Entladen
- galvanische Zelle
Laden
- elektrolytische Zelle
Batterien
sind eine aus mehreren Zellen bestehende Einheit.
Der Begriff wird ebenfalls umgangssprachlich für
eine einzelne galvanische Zelle verwendet
(Primärbatterie, wieder aufladbare Batterie).
Galvanische Zellen sollten eine möglichst hohe
elektrische Leistung abgeben
- möglichst hohe Zellspannung
- hoher Stromfluss über lange Zeit
Dabei sollten sie ein geringes Volumen und eine
geringe Masse besitzen. Die lieferbare Energiemenge wird vor allem durch Art und Masse der
Elektroden bestimmt.
Überblick über galvanische Zellen (Schmidt, 2003)
Zelle
Typ Anode (-)
Leclanché-Element
(saure Zink-Braunstein-Zelle,
"Zink-Kohle-Batterie")
P
Alkali-Mangan-Zelle
(alkalische Zink-Braunstein-Zelle)
P
Zink-Silberoxid-Knopfzelle
Elektrolyt
Kathode (+) Zellspannung
NH4Cl, ZnCl2
MnO2
1,5 - 1,6 V
KOH
MnO2
1,58 V
P
KOH
Ag2O
1,85 V
Zink-Luft-Knopfzelle
P
KOH
O2
1,67 V
Blei-Akkumulator
S
Pb
H2SO4
PbO2
2,04 V
Nickel-Cadmium-Akkumulator
S
Cd
KOH
NiO(OH)
1,35 V
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator
S
"H2"
KOH
NiO(OH)
1,35 V
Brennstoff-Zelle
P
H2
KOH
O2
1,3 V
Lithium-Zelle
P
Li
LiClO4, LiBF4
MnO2
3V
Lithium-Ionen-Akkumulator
S
LixC6
LiClO4, LiBF4
LixMn2O4
4,1 V
Zn
• Einige Primärzellen
Alkali-Mangan-Zelle (alkalische Zink-Braunstein-Zelle)
∆E = 1,5 V
Selbstentladung 3 - 5 % / Jahr
Heute frei von Hg, Zn-Pulver statt dessen mit Pb,
In legiert (sonst H2-Bildung)
Anwendung in Elektrokleingeräten wie Uhren,
Radios, Spielzeug, Taschenlampen u. a. m.
Weltweiter Verkauf 1997 ca. 35 Mrd. Zellen!
-
-
Anode:
Zn + 2 OH
Kathode:
2 MnO2 + 2 H2O + 2 e J
2 MnO(OH) + 2 OH
Gesamt-:
reaktion
Zn + 2 MnO2 + 2 H2O J
Zn(OH)2 + 2 MnO(OH)
Elektrolyt:
KOH
J Zn(OH)2 + 2 e
-
Zink-Luft-Knopfzelle
∆E = 1,4 V
Selbstentladung 6 - 7 % / Jahr
Mehr Raum für Anodenmaterial als Zn/Ag2O- oder
Zn/HgO-Zelle
Verklebte Luftlöcher während der Lagerung, Zellreaktion läuft erst nach Abzug der Klebefolie ab
Lange Lagerfähigkeit
Anwendung häufig in Hörgeräten
-
-
Anode:
Zn + 2 OH
Kathode:
½ O2 + H2O + 2 e
J 2 OH-
Gesamt-:
reaktion
Zn + ½ O2 + H2O
J Zn(OH)2
Elektrolyt:
KOH
J Zn(OH)2 + 2 e
-
• Sekundärzellen (Akkumulatoren)
Bleiakkumulator
∆E = 2,0 V; bei 6 Zellen in Reihe 12 V
Selbstentladung bei 0,1 - 0,5 % / Tag
Lebensdauer von maximal 1500 Ladezyklen
Aufladen bei Entladeschlussspannung ab 1,75 V
notwendig
erste Batterie bereits 1859 konstruiert (Gaston
Planté)
Elektrolyt Schwefelsäure von 37 M.-%
(4,8 mol/L, ρ = 1,28 g/mL, höchste Leitfähigkeit);
im entladenen Zustand 8 M.-% (c = 0,8 mol/L,
ρ = 1,05 g/mL)
Anwendung als Starterbatterie für KFZ, Notstromaggregate u. a. m.
ePb
e-
U
–
0
∆E = 2 V
+
PbO2
H2SO4
Anode
Kathode
2 H+ + SO42-
Anode:
Pb (s) + SO42- J
Kathode:
PbO2 (s) + SO42- + 4 H+ + 2 e- J
PbSO4 (s) + 2 H2O
Entladen
PbO2 + Pb +2 H2SO4
Laden
2 PbSO4 + 2 H2O
Gesamtreaktion:
Elektrolyt:
PbSO4 (s) + 2 e-
H2SO4
Technischer Aufbau
Anode:
Bleigitter mit Bleischwamm gefüllt
Kathode:
Bleigitter mit PbO2 gefüllt
Lithium-Ionen-Akkumulator
∆E = 3,6 V / 3,8 V
Lebensdauer von 500 Ladezyklen, geringe
Selbstentladung von 1 % / Monat
Als Anode metallisches Lithium in Graphit-Schichtgitter eingelagert (Einschlussverbindung LixC6)
Verschiedene Bauarten je nach Kathodenmaterial
(Oxidationsmittel LixMn2O4, Li1-xCoO2)
Reversible Einlagerung von Li+-Ionen!
Aufladen bei Entladeschlussspannung ab 2,5 V
notwendig
Kein Memory-Effekt, aber Kapazitätsverlust bei
Tiefentladung (unterhalb Entladeschlussspannung)
Elektrolyte in nichtwässrigen (organischen)
Lösungsmitteln
Relativ leicht, Anwendung in Mobiltelefonen,
Digitalkameras, Notebooks, Elektrofahrzeugen!
-
J Li+ + e
Anode:
Li
Kathode:
LixMn2O4 + Li+ + e- J Lix+1Mn2O4
Entladen
Gesamt-:
reaktion
Li + LixMn2O4
Elektrolyt:
Li[BF4], LiClO4, Li[PF6]
Laden
Lix+1Mn2O4
• Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind galvanische (Primär)Elemente, bei denen Reduktionsmittel (Brennstoff) und Oxidationsmittel (Sauerstoff) den
porösen Elektroden kontinuierlich von außen
zugeführt werden. Sie benötigen eine hohe
hohe Arbeitstemperatur (80 - 100 °C).
Kalte Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad
von bis zu 70 %
Systeme auf Basis H2/O2, CH4/O2 und CH3OH/O2
umweltfreundlich, leise, effizient
Antrieb von Verkehrsmitteln - Straße, Wasser,
Luft, Weltraum
Stromversorgung mit dezentraler / zentraler
Kraft-Wärme-Kopplung
Funktionsprinzip saure Brennstoffzelle
∆E0 = 1,23 V
H2
e-
U
O2
e-
Pt
Pt
-
+
Anode
H+
Oxidation
H+
SO42-
H2SO4 - Lösung
Anode:
2 H2 J 4 H+ + 4 e-
Kathode:
O2 + 4 H+ + 4 e- J 2 H2O
Gesamtreaktion:
2 H2 + O2 J 2 H2O
Elektrolyt:
H2SO4
Kathode
Reduktion
⋅
Moderne Brennstoffzellen mit Membran-ElektrodenEinheit (MEA)
Kathode
Anode
+
H2O
Gasdiffusionselektrode,
z. B. Ruß/Platin
–
H2 Dicke
0,1 – 0,5 mm
H+
O2
H2O
H+
H2
H+
H2
O2
H2O
O2
Elektrodenreaktion
An-und
Abtransport
fest, flüssig
Elektrolyt
2 H2 J 4 H+ + 4 eO2 + 4 H+ + 4 e- J 2 H2O
Ruhespannung:
0,9 – 1,2 V
Betriebsspannung :
0,5 – 0,7 V
Oxidation
Reduktion
Zellenstapel (Stack)
Reihenschaltung von Zellen für hohe
Spannungen und Leistungen
Trennung der MEA´s mit Bipolarplatten gasdichte Separierung, Gasversorgung und
Stromableitung
Übersicht über verschiedene Typen von Brennstoffzellen (BZ)
Typ
Elektrolyt
Betriebstemperatur
Elektrischer
Wirkungsgrad
Verwendung
Alkalische BZ (AFC)
KOH
< 100 °C
max.
65 - 70 %
Kleinanlagen
5-150 KW
Polymerelektrolytmembran BZ
(PEMFC)
protonenleitende
Membran
60 – 120 °C
max.
50 – 68 %
Kleinanlagen
5 - 250 KW
Phosphorsaure BZ
(PAFC)
H3PO4
160 – 220 °C
max.
55 %
Kraftwerke
50 KW - 11 MW
Carbonatschmelzen
BZ (MCFC)
Li2CO3 K2CO3 Schmelze
600 – 660 °C
max.
65 %
Kraftwerke
100 KW - MW
Oxidkeramische BZ
(SOFC)
ZrO2
mit Y2O3
800 – 1000 °C
max.
60 – 65 %
Kraftwerke
100 KW - MW
Alkalische Brennstoffzelle
∆E0 = 1,23 V
-
H2
e-
+
O2
OH-
OH-
OHH2O
Anode Elektrolyt Kathode
KOH
Anode:
2 H2 + 4 OH- J 4 H2O + 4 e-
Kathode:
O2 + 2 H2O + 4 e- J 4 OH-
Gesamtreaktion:
2 H2 + O2 J 2 H2O