Heutzutage steigt die Nachfrage nach elektronischen Geräten immer weiter an. Besonders mobile Geräte, wie zum Beispiel Kameras, Notebooks, Audio-Player und vor allem Smartphones und Tablets, gewinnen bei den Konsumenten immer mehr an Beliebtheit. Ein großer Unterschied im Vergleich zu anderen Endgeräten besteht darin, dass bei mobilen Geräten kaum noch Primärzellen (Batterien) verwendet werden, sondern Akkus. Diese haben die Besonderheit, dass sie mehrfach wieder aufladbar sind. Doch Akkumulatoren liefern nur für einen bestimmten Zeitraum genügend elektrische Energie, um ein Gerät zu versorgen. Die Spannung der Sekundärzelle nimmt ab, bis der Akkumulator seinen entladenen Zustand erreicht hat. Die Lösung hierzu wie auch die Alternative zu Sekundärzellen ist die Brennstoffzelle, welche bereits 1839 von Sir William Grove erfunden wurde. Er baute eine einfache galvanische Zelle. Diese bestand aus einer Platinelektrode in Schwefelsäure als Elektrolyt, bei dem Anoden- und Katodenraum kontinuierlich Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt wurde. Dieses Prinzip der Brennstoffzelle blieb sogar bis heute erhalten. Es werden nämlich an den Elektroden von außen kontinuierlich die Stoffe zugeführt und aus dem entstandenen Produkten wieder abgeführt. So können Brennstoffzellen zu jeder Zeit elektrische Energie entnommen werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Einführung
1.2 Ausgangspunkt dieser Arbeit
1.3 Zielsetzung dieser Arbeit
2. Hauptteil
2.1 Nafion® - Membranen – Eigenschaften, Funktionen, Bedeutungen
2.2 Probleme der Nafion® - Membranen
2.2.1 Überschreitung der Grenztemperatur und ihre Auswirkungen auf den Wassergehalt
2.2.2 Wassermanagement
2.2.3 Weitere Probleme
2.3 Beseitigung der Nafion® Probleme
2.3.1 Lösungen für die optimale Wasserregulierung
2.3.2 Verhinderung des Zerfallprozesses
2.3.3 Modifizierung – Einsetzung von Füllstoffen zur Verbesserung des Wassergehalts
3. Schluss
3.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
3.2 Ausblick und Zukunftsperspektiven
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Hypothese, dass Nafion®-Membranen in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) trotz ihrer vorteilhaften Eigenschaften betriebsbedingte Probleme aufweisen, und evaluiert mögliche Lösungsansätze zur Verbesserung ihrer Langlebigkeit und Funktionalität.
- Struktur und Funktionsweise von Nafion®-Membranen
- Einfluss von Temperatur und Wasserhaushalt auf die Membranleistung
- Mechanismen des Membranzerfalls durch chemische Prozesse
- Methoden zur Optimierung der Befeuchtung und Modifizierung der Membranstruktur
Auszug aus dem Buch
2.2.1 Überschreitung der Grenztemperatur und ihre Auswirkungen auf den Wassergehalt
Nafion® - Membranen werden gewöhnlich in PEMFC’s bei einer Betriebstemperatur von 80 bis 90°C eingesetzt. Doch im Hochsommer steigt vor allem die Betriebstemperatur und folglich ergeben sich dramatische Auswirkungen in den Nafion® - Membranen.
Bei einer Temperatur von 130 – 150°C kondensiert bereits der Wasserdampf mit der Folge, dass der Gasdruck sich verringert. Da der Druck im System mindestens 3 bis 4 bar betragen muss, hat ein geringerer Gasdruck die Auswirkung, dass die Membran austrocknet, was dann zu Gasübergängen aufgrund der Risse in der Membran führt. Vielleicht erzeugt eine hohe Temperatur eine größere Protonleitfähigkeit, aber bei niedrigerem Gasdruck und hoher Temperatur sinkt die Urspannung von 1,02V auf ≈ 0,4V in der Leerlaufspannung. Somit ist die thermische Energie gegenüber der elektrischen Energie bei einer geringen Spannung größer (z.B. Bagotsky, 2009). Darüber hinaus steigt bei einem Temperaturanstieg die Geschwindigkeit der Wasserstoffdiffusion durch die Membran zur Katode. Bereits bei einer Standardtemperatur in PEMFC von 80°C gehen mehr als 3% des Wasserstoffs durch die Durchquerung der Membran verloren. Somit erhöht sich der Wert bei steigender Temperatur und die Dichte verringert sich. Sobald dieser verlorene Teil der Wasserstoffatome die Katode erreicht hat, werden die Wasserstoffatome dort mit Sauerstoffatomen oxidiert, wodurch Wasserstoffperoxid H2O2 gebildet wird. Die katalytische Zersetzung von H2O2, hervorgerufen durch die Eisenionen, führt zur Bildung von freien Sauerstoffradikalen OH• oder OOH•. Diese reagieren mit Endgruppen der Form -CF2COOH in der Membran und greifen die Membran an und beschleunigen somit den Zerfall der Membran. Man kann auch sagen, dass der Zerfall durch die hohe Temperatur beschleunigt wird (z.B. Bagotsky, 2009).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die Grundlagen der PEMFC-Technologie ein und begründet die Relevanz der Untersuchung von Nafion®-Membranen für mobile Anwendungen.
2. Hauptteil: Dieser Abschnitt analysiert die strukturellen Eigenschaften von Nafion®-Membranen, identifiziert kritische Probleme bezüglich Temperatur und Wassermanagement und erörtert technische Beseitigungsmethoden.
3. Schluss: Das Kapitel fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur Bestätigung der Hypothese zusammen und bietet einen Ausblick auf die zukünftige Forschung an Ersatzmembranen.
Schlüsselwörter
Nafion®, PEMFC, Brennstoffzelle, Polymermembran, Protonenleitfähigkeit, Wassermanagement, Membranzerfall, Wasserstoff, Sulfonsäure, elektrochemische Reaktion, Modifizierung, Composite Membran, Betriebstemperatur, Ionomer, Radikalbildung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Facharbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit den technischen Problemen von Nafion®-Membranen in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen und untersucht, wie diese zu Ausfällen führen können.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Morphologie und Struktur von Nafion®, die Auswirkungen des Wassermanagements sowie die chemische Stabilität gegenüber thermischen Belastungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Hypothese zu bestätigen, dass Nafion®-Membranen trotz ihrer weiten Verbreitung signifikante Schwächen in PEM-Brennstoffzellen aufweisen, und entsprechende Lösungswege aufzuzeigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer theoretischen Analyse existierender wissenschaftlicher Literatur, Experimenten und Forschungsberichten über das Verhalten von Nafion®-Membranen.
Was wird im Hauptteil detailliert behandelt?
Der Hauptteil analysiert die physikalisch-chemischen Eigenschaften, die negativen Auswirkungen von Überhitzung und Wassermangel sowie Methoden zur Membranmodifizierung mittels Füllstoffen.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Nafion®, Wassermanagement, Protonenleitfähigkeit, Zerfallsprozess und Membran-Modifizierung geprägt.
Warum spielt das Wassermanagement eine so kritische Rolle für Nafion®-Membranen?
Das Wassermanagement ist entscheidend, da der Wassergehalt die Protonenleitfähigkeit steuert; zu wenig Wasser führt zum Austrocknen, während zu viel Wasser die Gasdiffusion blockieren kann.
Welche Rolle spielen anorganische Füllstoffe bei der Problemlösung?
Anorganische Füllstoffe werden eingesetzt, um die Membran hydrophiler zu machen und Wasser auch bei höheren Betriebstemperaturen besser zu binden, was die Stabilität und Leitfähigkeit verbessert.
- Citar trabajo
- Mike Ong (Autor), 2014, Probleme der Nafion®-Membranen in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen und ihre Lösungen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/293083
