16 Spannungsquellen
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Spannungs-Stromquellen 1. Galvanische Spannungsreihe 2. Primärelemente 3. Sekundärelemente 4. Brennstoffzelle 5. Thermoelektrizität i) Seebeck-effekt ii) Peltier-effekt Strom/Spannungsquellen Damit Strom fließt, müssen Ladungsträger auf ein höheres Potenzial gebracht werden (bzw. getrennt werden) Woher kommt diese Energie? Beispiele für Stromquellen: Elektrodynamische Generatoren (veränderliches Magnetfeld) Solarzellen (Lichtenergie) Galvanische Elemente: Lösung von Metall in Elektrolyt Thermische Quellen (Thermoelektrizität) 1 Wiederholung Diffusion Diffusion findet immer statt, wenn Teilchendichte n lokal unterschiedlich Bewegte Teilchen: Teilchenstrom Stromdichte jn = - D grad(n) D… Diffusionskoeffizient Metall in Elektrolyt e- Ion - + + Elektrolyt E + + + + + - - + + Ion + + + Elektrolyt Konzentrationsgefälle Metall - Elektrolyt ⇒ Diffusion Metall gibt Ionen an Elektrolyt ab Elektronen bleiben im Metall Ionenstrom vom Metall in den Elektrolyt (Diffusionsstrom) Elektrisches Feld zwischen e und Ionen Ionen zu Elektrode zurückgezogen Ionenstrom Elektrolyt Metall („elektrischer Strom“) Gleichgewicht: Gesamtstrom = 0 Potenzialdifferenz U (∆ϕ) zwischen Elektrolyt und Metall (nicht direkt messbar) 2 Wie groß ist die Potenzialdifferenz? Im Gleichgewichtsfall gilt: c1 = e −e∆ϕ / kT c2 c1 Konzentration (der Ionen) in Elektrode c2 Konzentration (der Ionen) im Elektrolyten ∆ϕ Potenzialdifferenz T Temperatur k Boltzmannkonstante Galvanische Spannungsreihe Potenzialdifferenz nicht direkt messbar, sondern nur Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Materialien Festlegung: 0 V wasserstoffumspülte U = ∆ϕ1 − ∆ϕ2 Platinelektrode V ∆ϕ1 ∆ϕ2 Edle Metalle: U > 0 geben schwer Elektronen ab Unedle Metalle: U < 0 geben leicht e− ab 3 Wasserstoff Referenzelektrode Ionenbrücke Wasserstoffelektrode Platin umspült mit H2 unter definierten Bedingungen Vergleichsmaterial Daniell Element Primärbatterie: Galvanisches Element Kombination Cu-Zn Zn Ionen gehen in Lösung Cu Ionen scheiden sich ab Gemessene Spannung: UCu-Zn = UCu - UZn = + 0,34V - (- 0,76V) = 1,1 V Bemerkung: Cu SO4 als gemeinsames Elektrolyt möglich, aber Zn-Elektrode würde sich mit Kupfer überziehen! 4 Zink Kohle Batterie Negativer Pol: Zink Positiver Pol: Braunstein (MnO2) Kohlestift nur als Kontakt Elektrolyt: Salmiak Paste Resultierende Spannung: 1.5V Energieinhalt von Batterien : einige Ah Bleiakkumulator Sekundärelement: kann wieder geladen werden (nicht unbegrenzt) Bleiplatten in Schwefelsäure: Umwandlung von Pb in PbS04 Aufladen durch Anlegen einer äußeren Spannung: Anode: Pb SO4 + 2 H2O → Pb O2 + H2SO4 + 2 H+ + 2 e− Kathode: Pb SO4 + 2 H+ + 2 e− → Pb + H2SO4 ⇒ Anode = Pb O2 ; Kathode = Pb Entladen durch Anschluss eines Verbrauchers Anode: Pb O2 + SO42-+ 4 H+ + 2 e− → Pb SO4 + 2 H2O Kathode: Pb + SO42- → Pb SO4 + 2 e− ⇒ Anode = Pb SO4 ; Kathode = Pb SO4 Spannung pro Zelle 2 V, Kapazität 60Ah, hohe Ströme (kurzfristig) 5 Brennstoffzelle Direkte Umwandlung von chemisch gespeicherter Energie in elektrische Energie Beispiel Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (Wasserstoffwirtschaft, zero emission) Knallgasreaktion (stark exotherm): 2 H2 + O2 → 2 H20 Kontrollierte Reaktion: räumliche Trennung von Oxydation und Reduktion z.B in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) Anode: H2 → 2 H+ + 2 eKathode: 02 + 4 H+ + 4e- → 2 H20 Teilreaktionen nur wenn Elektrolyt, Gas und Katalysator (Elektrodenmaterial) zusammen Arten von Brennstoffzellen Zellentyp AFC Akalische Brennstoffzelle Betriebstemperatur Elektrolyt Brennstoff Oxidant 80° C Kalilauge Wasserstoff Sauerstoff DMFC Direct Methanolzelle 90 - 120° C Festpolymer Methanol Luft PEM Protonleitende Brennstoffzelle 80° C Festpolymer Wasserstoff Sauerstoff Luft PAFC Phosphorsäure Brennstoffzelle 200° C Phosphorsäure Erdgas Kohlegas Biogas Wasserstoff MCFC SchmelzkarbonatBrennstoffzelle 620 - 660° C Lithiumkarbonat Kaliumkarbonat SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle 1000° C Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid Elektrischer Wirkungsgrad 63% 50% - 60% Einsatzgebiet Raumfahrt UBoot- Technik Fahrzeuge 60% Verkehrs- sektor BHKW Luft 36% - 46% Heizkraft- werke BHKW Erdgas Kohlegas Biogas (Wasserstoff) Luft 48% - 56% Kraftwerke Kohlegas Erdgas Biogas Wasserstoff Luft 55% - 65% Kraftwerke BHKW 6 Quecksilberherz Quecksilbertropfen in Schwefelsäure Nagel in Nähe ⇒Tropfen beginnt zu pulsieren Erklärung: Quecksilber – Nagel galvanisches Element Ladung erzeugen Kräfte die zu Abflachung des Tropfens führen Bei Berührung Entladung und Tropfen wird wieder rund Thermoelektrizität Energie E Elektronen in einem Potenzialtopf Töpfe verbunden Elektronen zu energetisch Topfform materialabhängig günstigeren Fall Elektronenüberschuss in 1 bzw. -mangel in 2 Elektrisches Feld E verhindert weiteren Abfluss Kontakte auf gleicher Temperatur Potenzialdifferenz an beiden gleich Kein Strom 7 Thermoelement Seebeckeffekt Kontakte auf unterschiedlicher Temperatur Potenzialdifferenz temperaturabhängig Nettospannung: Stromfluss Metall 1 Metall 2 Thermospannung Uth = (S1 – S2) ( T2−T1 ) > T1 Si materialabhängige Seebeck - Koeffizienten Metall 1 T2 V Uth Physikerbild U = ϕ1 - ϕ2 E W Austrittsarbeit EF Fermienergie (bis dahin gefüllt) Kontakt: Fermienergie gleich Potenziale verschieben sich 8 Thermoelement T1 = 0°C Eiswasser T2 = 100°C kochendes Wasser Material Bi Konstan tan Ni Pt Ag Cu S [mV/100K] -7 -3.4 -1.5 0 0.7 0.75 Fe Sb 1.8 4.7 Utheo = (Scu –Skonst) (100° - 0°) = 4.2mV Thermoelektromagnet Kupfer T>> Konstantan T = 0°C Strom Kontakte T ungleich Ein Kontakt mit Bunsenbrenner erhitzt, anderer in Einwasser Ein Kupfer-Konstantan-Thermoelement mit großem Leiterquerschnitt liefert hohe Ströme. Eine Windung reicht aus, um einen Elektromagneten zu bauen, der in der Lage ist, ein Gewicht von 5 kg zu tragen Bei ∆T = 100 K beträgt die Thermospannung allerdings nur 4,25 mV 9 Peltiereffekt Stromfluss führt zu Temperaturänderung an Kontaktstelle Eine Seite wird warm, andere kalt Wärmeleistung an Kontakten: dW/dt = (P1 – P2 ) I dW/dt > 0 Erwärmung dW/dt < 0 Abkühlung T1 Metall 1 P Peltierkoeffizienten T2 Metall 2 I Metall 1 I + − U Peltierkühlung Einsatz: Kühlung von Detektoren, Halbleiterlaser.. keine beweglichen Teile bzw Kühlmedium erforderlich 10
