Elektrochemie Beispiele und Messtechnik

Allgemeine Beispiele zur
Elektrochemie
Messtechnik - Einführung
V. Ribitsch 1
1

Der - pH Wert
H + -Ionen- Konzentration (mol/l) OH¯ -Ionen-Konzentration (mol/l)
1
0.00000000000001
0
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.00001
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0.00000000001
0.0000000001
0.000000001
0.00000001
0.000001 0.00000001 6
0.0000001 0.0000001 7
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0.000001
8
0.000000001
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0.00000000001
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0.00001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
0.00000000000001 1 14
pH ist die Abkürzung von pondus hydrogenii und bedeutet „die Wertigkeit des Wasserstoffes“.
1909 von dem dänischen Biochemiker S.P.L. Sørensen (1868 – 1939) eingeführt.
V. Ribitsch 2
pH
1
2
3
4
5
6
9
10
11
12
13
14
2

pH - Wert
• Der pH Wert: die wirksame Konzentration der
H+-Ionen und OH¯ -Ionen.
Definiert als der negative dekadische
Logarithmus der wirksamen Wasserstoff-Ionen-
Konzentration in wässrigen Lösungen.
• pH = log 1/aktivität H+ Ionen
• Ändert sich die H+- Ionen-Konzentration um den
Faktor 10, ändert sich der pH-Wert nur um eine
Einheit.
• c < 0.01 mol/l = aktivität
V. Ribitsch 3
3

pH – Wert
Potentiometrische pH-Messungen mit der
Wasserstoffelektrode und der Glaselektrode
• Verschiedenen Verfahren zur pH-Ermittlung - potentiometrischen Methoden
optimal Sie beruhen auf Potentialmessungen an einer wasserstoffsensitiven
Elektrode (Platin-Wasserstoffelektrode oder Glaselektrode), deren Potential
von der Wasserstoffionenaktivität der angrenzenden Elektrolytlösung
abhängt.
• Bei Verwendung einer Wasserstoffelektrode wird die
Gleichgewichtszellspannung einer Zelle
Hg / Hg 2Cl 2(s) / KCl(aq,sa) // H + (aq) (aH + = x) / H 2 (g) ) / Pt
bestehend aus einer solchen pH-sensitiven Wasserstoffelektrode
(Arbeitselektrode) und einer pH-inerten Referenzelektrode (Kalomel) mit
konstantem Potential (z.B. Hg/Hg2Cl2(s), KCl (aq,sa) bestimmt.
• EZ,eq = EH(H + /H2/Pt) - E (SCE) + EDIF SCE: gesättigte Kalomelelektrode
V. Ribitsch 4
4

pH - Wert
• Beim Aufbau einer solchen Zelle sind in der Regel Elektrodenräume mit
unterschiedlichen Elektrolyten miteinander ionisch verbunden, so dass
zusätzlich ein nichtbestimmbares Diffusionspotential EDIF auftritt (Zelle mit
Überführung)
• Eine exakte pH - Bestimmung als Einzelionenaktivität nach Definition
pH = - lg aH +
setzt die Kenntnis eines individuellen Aktivitätskoeffizienten voraus, z.B. die
des Wasserstoffions an einer Referenzwasserstoffelektrode oder die des
Gegenions in Zellen ohne Überführung mit Einzelelektrolyt
• Abschätzung im Debye-Hückel-Gebiet
V. Ribitsch 5
5

pH - Wert
• Praktische Messungen entweder auf Basis von pH - Konventionen
mittels Standardpuffern oder Bestimmung des pH-Wert mittels eines
einheitlichen Messverfahrens mit konstanter Bezugselektrode im
Debye-Hückel-Gebiet, bzw. vernachlässigt gänzlich den Einfluss des
Diffusionspotentials EDIF (Galvanidiffusionsspannung).
• Bei Vernachlässigung ergibt sich aus der gemessenen Zellspannung
das Gleichgewichtselektrodenpotential der Wasserstoffelektrode:
E (H+/H2/Pt) 2 = E Z, eq + EH (SCE)
• woraus unter Beachtung der Messbedingungen der pH-Wert berechnet
werden kann (Wasserstoffelektrode)
• Die Ergebnisse sind nicht streng thermodynamisch exakt, genügen
aber häufig den Anforderungen der Praxis.
V. Ribitsch 6
6

Wasserstoffelektrode
• Die pH-sensitive Elektrode H+(aq) / H2 (g) / Pt ist eine Wasserstoffelektrode,
an der die Redoxreaktion abläuft:
2 H + + 2 e- = H2
• Bei Gasreaktionen mit dem Partialdruck des an der Elektrodenreaktion
beteiligten Gases zu rechnen. Für das Gleichgewichtselektrodenpotential ergibt
sich somit
EH (H + /H2/Pt) = E0 H + RT/2F * ln aH + /pH2 E0 H = 0
bei allen Temperaturen (gemäß Definition der Standardwasserstoffelektrode).
E H (H + /H 2 /Pt) = E 0 H + RT/F * lna
pH = - E H (H + /H 2 /Pt) F / 2.303 RT
p = 1 bar H2 ; T = 298,15 K :
E (H + /H 2 /Pt) = 59,16 mV×* pH Gl 3
V. Ribitsch 7
7

Glaselektrode
• Messungen mit der Glaselektrode werden auf Basis von Eichpufferlösungen
mit bekannten pH-Werten durchgeführt.
• Die Glaselektrode zählt zu den Ionenelektroden, bei denen ausschließlich
Ionen die Phasengrenzen durchqueren. Bei dieser Elektrode stehen die
Protonen beider Phasengrenzschichten (Quellschichten Qi und Qa) der
Glasmembran im Austauschgleichgewicht mit den Hydroniumionen der
jeweils angrenzenden Elektrolytlösungen innen (i) und außen (a)
H + (Q) i bzw. H + (Q) a ↔ H + H (Q) i bzw. H (Q) a ↔ H (aq) Lösung i bzw. a
• Nur unter der Bedingung aH + (Q,i) = aH + (Q,a) ↔
arbeitet die Elektrode in einem breiten Messbereich gemäß der Nernstschen
Gleichung.
• Eine symmetrische Glaselektrodenzelle hat z.B. folgenden Aufbau:
V. Ribitsch 8
8

pH – Glaselektrode
Referenz Elektrode
notwendig: Kalomel
V. Ribitsch 9
9

pH – Glaselektrode
V. Ribitsch 10
10

pH – Glaslektrode
• Durch die Pufferwirkung des Silikats in der Quellschicht und die
Symmetrie der Zelle kompensieren sich meist weitgehend die
Galvanispannungen beider Quellschicht/Membran- Grenzflächen, so
dass sich als Zellspannung bei 25° C ergibt:
• E eq, Glas = 0,059 V (pHi - pHa) (10)
• Ist die Bedingung aH + (Q,i) = aH + • Ist die Bedingung aH (Q,a)
+ (Q,i) = aH + (Q,a)
bei angrenzenden stark sauren oder alkalischen Lösungen nicht mehr
erfüllt, resultieren Säure- oder Alkalifehler, die die Steilheit S der
Glaselektrode reduzieren.
Steilheit S; Nernstfaktor NF : S = -E/pH = NF = 2,303 RT/F (11)
V. Ribitsch 11
11

pH – Glaselektrode
• In der Praxis Glaselektrodensysteme verwendet, die sich von
dem bisher diskutierten Typ in Ausführung und Art
unterscheiden können (pH-Wert des inneren Elektrolyten und
Wahl der inneren Ableitelektrode, Einstabmesskette).
• Die sehr dünne und damit leicht zerbrechliche, sich ständig
unter destilliertem Wasserbefindende Glasmembrankugel ist
beispielsweise innen mit einem (chloridhaltigen) Standardpuffer
(z.B. pH = 7,0) gefüllt, in den z.B. eine Silber/Silberchlorid-
Elektrode eintaucht (innere Ableitelektrode). Eine solche
Glaselektrodenkette ist bei Verwendung einer Kalomelelektrode
als Bezugselektrode im äußeren Elektrolyten unsymmetrisch,
was einen zusätzlichen Potentialunterschied zwischen innerer
und äußerer Ableitelektrode bedingt.
V. Ribitsch 12
12

pH – Glaslektrode
• Der elektrische Widerstand des Schaftglases muss wesentlich größer
sein als der des Membranglases. Das Membranglas besteht aus
Wasserstoff-Ionen empfindlichem Glas und wird normalerweise in
zylindrischer Form an den Elektrodenschaft angeschmolzen. Die
Glaselektrode ist teilweise mit einer Pufferlösung gefüllt, die im
Normalfall den Wert von pH 7 hat. Eine definierte Menge von
Kaliumchlorid (KCl) ist dem Innenpuffer zugesetzt.
• Ein mit Silberchlorid beschichteter Silberdraht (Ag/AgCl) ist koaxial
in die Elektrode eingebaut und reicht bis in den Innenpuffer hinein. Er
dient als Ableitelektrode. Über den Innenleiter eines Koaxial-Kabels
ist die Ableitelektrode mit der positiven Anschlußbuchse des pH-
Meters verbunden.
V. Ribitsch 13
13

pH – Glaslektrode -Glasmembran
• Alle Glas-Sorten besitzen die Eigenschaft, eine Potenzialdifferenz in wässrigen
Lösungen zu bilden, die in Relation zur Wasserstoff-Ionen-Konzentration der Lösung
steht. Spezielle Sorten, z.B. das bekannte Mc-Innes Glas (Corning 015), bilden
Galvanispannungen, die über einen großen Bereich der pH-Skala der NERNST-
Spannung zufriedenstellend entsprechen.
• Wenn das Membranglas einer Messelektrode in Kontakt mit einer wässrigen Lösung
kommt, formt es eine sogenannte elektrische Doppelschicht (Gelschicht) von ungefähr
10-4 mm Dicke zwischen Glasoberfläche und Messlösung. Diese Gelschicht wird
durch den Ionenaustausch der Alkali-Ionen der Glasoberfläche und der Wasserstoff-
Ionen der Lösung geformt. Die Dicke der Gelschicht ist von der Qualität und von der
chemischen Zusammensetzung des Membranglases, der Temperatur und dem pH-Wert
der Messlösung abhängig.
Da die innere Oberfläche des Membranglases im stetigen Kontakt mit dem
Innenpuffer (normalerweise pH 7) ist, formt sich auch auf dieser Seite eine Gelschicht.
Ein kontinuierlicher Austausch von H+-Ionen zwischen den Gelschichten und den H+-
Ionen des Innenpuffers und der Messlösung findet statt. Dieser Ionen-Austausch hängt
von der H+-Ionen-Konzentration der Lösungen statt (chemisches Potential).
V. Ribitsch 14
14

pH – Glaslektrode - Glasmembran
• Durch die elektrochemische Wechselwirkung der H+-Ionen zwischen Gelschichten und
Lösungen bildet sich auf beiden Seiten der Membran nach einiger Zeit ein
Galvanipotential. Wenn die Wasserstoff-Ionen-Konzentration der Lösungen auf beiden
Seiten der Glasmembran identisch sind (pH 7 bei Innenpuffer pH 7), sind auch die
Galvanipotentiale auf beiden Seiten gleich und die Potentialdifferenz = 0 mV.
• Unterscheiden sich die Potentiale beider Seiten der Membran, entsteht zwischen beiden
Seiten eine Potentialdifferenz in mV, die im Idealfall proportional des pH-Wertes der
Messlösung ist. Um die Membran-spannung messen zu können, muß auch die
unveränderte Zwischenschicht des Membranglases eine gewisse elektrische
Leitfähigkeit aufweisen. Diese wird durch die Beweglichkeit der Alkali-Ionen (Li+-
Ionen in modernen Gläsern, Na+-Ionen in älteren Gläsern) gegeben.
• Die Dicke und Komposition der Gelschicht ist verantwortlich für die Ansprechzeit und
Steilheit der Glaselektrode. Deshalb ist die Gelschicht für die Messbereitschaft und
Messqualität der Glaselektrode von äußerster Wichtigkeit. Die Gelschicht muß
während der gesamten Betriebsdauer der Glaselektrode erhalten bleiben.
V. Ribitsch 15
15

pH – Glaselektrode
• Potentialdifferenz U aus der NERNST-Gleichung:
U = 2.30 * RT/nF * log c1/c2
U = Potentialdifferenz in mV
R = Gaskonstante (8,31439 J x mol-1 x K-1)
F = Faraday’sche Konstante (96495,7 C x mol-1)
T = absolute Temperatur in Kelvin (K)
n = Wertigkeit des zu messenden Ion (nH = 1)
C1 = Wirksame H+-Ionen Konzentration in Lösung C1
C2 = Wirksame H+-Ionen Konzentration in Lösung C2
Bei Konzentrationsverhältnis 10:1
U = 2.30 * RT/nF * log10
U = 2.30 * RT/nF
T = 20 °C, 293,15 K
NERNST-Spannung von 58.16 mV
V. Ribitsch 16
16

pH – Einstab – Messkette
• Seit 1947 sind Mess- und Bezugselektrode konstruktiv zu einer kompakten
Bauform verbunden, zu der sogenannten Einstabmesskette oder auch
Kombinations-elektrode. Wird nahezu ausschliesslich verwendet obwohl
nur dann zulässig, wenn die Betriebsdauer von Glas- und Bezugselektrode
nicht stark unterschiedlich ist.
• Die Kombinations-Elektrode ist wie eine normale Messelektrode aufgebaut.
Sie unterscheidet sich jedoch durch einen doppelwandigen Elektrodenschaft.
Der entstandene Zwischenraum bildet das Elektrolytgefäß, in dem die
Ableitelektrode eingeschmolzen ist. Am seitlichen unterem Ende der
kombinierten Elektrode befindet sich das Diaphragma. (Das Diaphragma
ermöglicht die Diffusion des KCl-Elektrolyten in die Messlösung und stellt
so eine elektrische Verbindung zwischen Ableitelektrode und Messlösung
her). Der die Messelektrode umgebende Elektrolyt wirkt gleichzeitig als
elektrische Abschirmung.
V. Ribitsch 17
17

pH – Einstab
– Messkette
V. Ribitsch 18
18

pH – Messung pK Wert Bestimmung
pH-Wert-Messung zur Bestimmung von Dissoziationskonstanten von schwachen Säuren
mittels potentiometrischer Titration:
• Titriert man eine schwache Säure mit einer starken Base, so verschiebt sich das
Dissoziationsgleichgewicht
HA + H2O ↔ H3O + + A-
mit voranschreitender Neutralisation ständig weiter von links nach rechts, bis der
Wendepunkt der Titrationskurve erreicht ist. Bei konstanter Aktivität des Wassers aW
gilt für die Dissoziationskonstante der schwachen Säure
K + = (aH + * aA - ) / a HA
lg K+ = lg aH+ + lg (cA- * γa-) – lg (cHA ·* γHA) (13,14)
Mit Hilfe des pK-Wertes (pK = -lg Ka + ) folgt in verdünnten Lösungen (a = 1)
pK = pH - lg(cA- pK = pH - lg(cA /cHA) - /cHA)
V. Ribitsch 19
19

pH – Messung pK Wert Bestimmung
• Aussage: In verdünnten Lösungen ist der pK-Wert einer schwachen
Säure dann gleich dem pH-Wert der Lösung ist, wenn die
Konzentration der undissoziierten Säure cHA gleich der Konzentration
des Anions cA - geworden ist.
• Dies tritt bei einer Säure-Basen-Titration dann ein, wenn die halbe
Menge der zur Titration erforderlichen Laugenmenge verbraucht ist.
Der in diesem Punkt gemessene pH-Wert ergibt dann den pK-Wert,
d.h. die Dissoziationskonstante der schwachen Säure.
• Man misst also während der Titration die Zellspannung einer pH-
Messzelle (Glaselektrode) in Abhängigkeit von der Laugenzugabe.
Aus der Titrationskurve pH-Wert gegen Laugenverbrauch erhält man
den Laugenverbrauch am Äquivalenzpunkt und bei der Hälfte dieses
Verbrauches einen Zellspannungswert, der aus der Kalibriergeraden
der Glaselektrode den entsprechenden pH-Wert abzulesen gestattet.
V. Ribitsch 20
20

Titration: Schwache Säure + starke Base
− −
HClO( aq) + OH ( aq) → ClO ( aq) + H O( l) pK = 7.5
V. Ribitsch 21
2
a
21

Versuchsdurchführung
Versuch & Auswertung
• (a) Die Wasserstoffelektrode wird mit der gesättigten Kalomelelektrode (SCE) als
Bezugselektrode zu der galvanischen Zelle zusammengestellt. Das Meßgefäß wird mit so viel
Versuchslösung gefüllt, daß das platinierte Platinblech etwa zu 2/3 eintaucht. Der für die Messung
erforderliche Wasserstoff wird einer Stahlflasche entnommen. Die Geschwindigkeit des
Gasstromes wird so einreguliert, daß ca. 1 bis 3Gasblasen pro Sekunde entweichen. Die
Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs ist ohne Einfluß auf die Zellspannung.
• Zur Messung der Zellspannung dient ein hochohmiges Digitalvoltmeter. (Alternativ kann ein
Präzisionskompensator in Verbindung mit einem hochempfindlichen Spiegelgalvanometer
eingesetzt werden.)
• Da sich die Galvanispannung der Wasserstoffelektrode relativ langsameinstellt, wird die
Zellspannung in Zeitabständen von 5-10 min gemessen, bis sich ein konstanter Endwert (+/- 1
mV) eingestellt hat. In der Regel ist dieser nach etwa 30-60 min erreicht.
• (b) Für die Glaselektrode wird zunächst mit wenigstens 6 Pufferlösungen bekannter pHWerte eine
Kalibrierkurve (-gerade) aufgenommen, wozu die Zellspannung gegen den pH Wert aufgetragen
wird. Dazu spült man die Kugel mit der zu vermessenden Pufferlösung und taucht sie bis knapp
unter den Schaftansatz in diese Lösung. Eine gleichfalls eingeführte gesättigte Kalomelelektrode
(SCE) dient als äußere Ableitelektrode. Zwischen beiden Ableitelektroden wird nun mit einem
Messverstärker die konstante Zellspannung gemessen,die sich nach maximal 5 min einstellt.
V. Ribitsch 22
22

Potentiometrische Titration
Versuch & Auswertung
• In analoger Weise wird bei der potentiometrischen Titration der unbekannten schwachen
Säure verfahren. Diese wird auf ca. 100 ml mit dest. Wasser verdünnt, in ein 200 ml
Becherglas gegeben und nach Einbringen der Glaselektrode sowie der ges.
Kalomelelektrode und Einregulierung des Magnetrührers mit 0,1 N NaOH titriert. In der
Nähe des Äquivalenzpunktes wird die Lauge nur noch tropfenweise zugeführt.
• Nach Beendigung des Versuches sind die Meßzelle platinierte Platinelektrode sorgfältig
mit destilliertem Wasser auszuspülen undunter destilliertem Wasser aufbewahrt.
• 4. Auswertung
• Der pH-Wert der unbekannten Elektrolytlösung wird unter Beachtung der
Messbedingungen (T,p) nach berechnet. (Welches Vorzeichen hat die gemessene
Zellspannung?)
• E H (SCE) (25°C, 1bar) = + 0,241 V; E H (SCE) (20°C, 1bar) = + 0,244 V
V. Ribitsch 23
23

MESSSYSTEME
V. Ribitsch 24
24

Aufbau von Messsystemen / Übersicht
SENSOR / Messumformer
Mechanischer Raum Elektrischer Raum
Physikalische
Messgröße
Aufnehmer
(Sensor)
Geber
(Anpasser)
Verstärker
Normierung
Kalibrierung
Messsystem / Sensor
Anzeige
(Ausgeber)
Messwert
V. Ribitsch 25
25

Sensors – basic principles
Transfer a chemical, physical, biological
signal into an electrical signal:
Input
signal
Transducer
Electrical
Processing
signal A / D
Non electrical /
electrical signal
Converter
Amplification
Output
signal
V. Ribitsch 26
26

Working principle
Input Transformation
Transducer
Signal processing
Technical sensors
non electrical signal electrical signals microprocessor
physical, chemical resistance, voltage
current
storage
Biological sensors
biological compounds signal molecules nerve cells
nerve cells brain
electrical signals
V. Ribitsch 27
27

Technical sensors
Magnetic field temperature light Typical industrial sensor systems
Size: 0.5 – 2 mm diameter
Development trend: electrical replaced by optical sensors
V. Ribitsch 28
28

Signalmerkmal
Signalformen /1
Aufbau von Messsystemen
Definition Vorteile Nachteile Anwendung
analog Informationsparamet
er kann innerhalb
gewisser Grenzen
beliebig viele Werte
annehmen
Proportionalität
zwischen Messgröße
und
Informationsparameter
leichte Störanfälligkeit
(Rauschen, Drift);
keine Regenerierung
möglich
vorteilhaft für
Überwachung,
Tendenzerkennung,
dynamische
Messungen
digital diskrete Werte des endliche Zahl Abstand der Digitalmessgeräte,
Informationsparameters
entsprechen
einem vereinfachten
Alphabet
endliche Zahl
von Amplitudenstufen;
Störung erst nach
Überschreiten der
Alphabet Grenzen;
Regenerierung
möglich
Abstand der
Amplitudenstufen
erscheint als Fehler
(Quantisierungsfehler)
Digitalmessgeräte,
Digitalanzeige;
Messwertverarbeitung,
rechnerintegrierte
Leitsysteme
V. Ribitsch 29
29

Signalformen /2
Signalmerkmal
Aufbau von Messsystemen
Definition Vorteile Nachteile Anwendung
kontinuierlich Informations-
parameter
kann sich zu jedem
Zeitpunkt ändern
diskontinuierlich Informations-
parameter kann
sich zu bestimmten
Zeitpunkten ändern
Ereignisse und
Tendenzen zu jeder
Zeit erkennbar
Störung nur zu
bestimmten
Zeitpunkten möglich
vorteilhaft für
zu jeder Zeit schnelle Vorgänge
störanfällig (Tendenzerkennung)
Information nur zu langsame Vorgänge;
bestimmten Prozessüberwachung
Zeitpunkten;
Zeitverzug möglich
(Totzeit)
V. Ribitsch 30
30

Messdatenerfassung
Im heutigen Labor sieht man sich mit einer Vielzahl elektronischer Messeinrichtungen
konfrontiert, ohne die viele moderne Verfahren gar nicht vorstellbar sind.
Mit diesen Möglichkeiten entstanden auch viele potentielle Fehlerquellen, zu deren
Vermeidung auch für den Laboranwender bestimmte Grundkenntnisse der elektronischen
Signalverarbeitung erforderlich werden.
Wichtig ist dies dann, wenn verschiedene Geräte zu einer übergeordneten Messeinrichtung
kombiniert werden (z.B. HPLC), aber auch bei "schlüsselfertigen" Geräten können
unerwartete Schwierigkeiten auftreten.
Von Analog nach Digital
In den meisten Messeinrichtungen - auch im analytischen Labor - werden Parameter in
analoger Form gemessen und Zwischenschritten in eine digitale Form übergeführt.
V. Ribitsch 31
31

Messdatenerfassung
Analoge Messverfahren:
Der zu messenden Eingangsgrösse wird durch das Messverfahren eine
Ausgangsgrösse zugeordnet, die eine eindeutige, stetige Darstellung der zu
messenden Grösse ist.
Skaleninstrument – Messwert stetig verschiebbare Marke
Meist nicht kontinuierlich (Reibung, Spiel ..)
Digitale Messverfahren:
Der zu messenden Eingangsgrösse wird durch das Messverfahren eine
Ausgangsgrösse zugeordnet, die eine mit festgelegten kleinsten Schritten
quantisierte zahlenmässige Darstellung der zu messenden Grösse ist. D.h. einem
Wertebereich der Eingangsgrösse als Gesamtes wird eine Ausgangsgröse
zugeordnet – digit – Messwerte erscheinen unstetig als Summe von
Quantisierungseinheiten
V. Ribitsch 32
32

Analoge Datenerfassung
Messdatenerfassung
Analoge Daten können jeden beliebigen Wert (eventuell innerhalb bestimmter
naturgegebener Grenzen) annehmen;
die meisten physikalischen oder chemischen Parameter gehören diesem Typ an,
z.B. pH-Wert, Temperatur, Konzentrationen, Mengen etc.
Digitale Datenerfassung:
Digitale Daten hingegen sind an bestimmte vorgegebene Werte gebunden und können
keinen Wert dazwischen annehmen.
Ein typisches Beispiel ist die ziffernmäßige Darstellung von Zahlen mit einer gegebenen Zahl
von Nachkommastellen.
Im Labor entstehende Messwerte sind zunächst Analog und müssen spätestens zum
Zeitpunkt der Aufzeichnung oder Interpretation in digitaler Form vorliegen.
Die Analog-Digital-Wandlung ("A/D conversion") fand vor der Einführung der Digitaltechnik
ausschließlich durch den Beobachter statt.
z.B. Ermittlung eines ziffernmäßigen Wertes durch Vergleich der Quecksilbersäule eines Thermometers mit
den Zahlenwerten der Skala. Die Kenngrößen "Auflösung" (auf wie viele Dezimalstellen kann das Ergebnis
abgelesen werden) und "Genauigkeit", die auch in der elektronischen A/D-Wandlung entscheidende
Parameter darstellen, sind bereits hier relevant.
Auch bei analogen Messinstrumenten (z.B. Drehspulanzeigen), die heute noch einige
Verbreitung besitzen, erfolgt die Wandlung durch den Betrachter.
V. Ribitsch 33
33

Digitale Datenerfassung:
Messdatenerfassung
Seit der Entwicklung der elektronischen Digital- und Computertechnik wird die Analog-
Digital-Wandlung aber immer mehr ohne menschliches Zutun ausgeführt, was neben
der Zeitersparnis auch den Vorteil besserer Reproduzierbarkeit besitzt.
Unter Reproduzierbarkeit wird hier nur verstanden, dass die Genauigkeit der Messung
nicht etwa von der Sehschärfe des Betrachters etc. abhängt, über die Qualität der
Messung an sich soll noch keine Aussage getroffen werden.
durch den Beobachter
elektronisch
(im Messgerät)
Schematische Darstellung der Analog-Digital-Wandlung durch den Beobachter (oben) oder durch die
Elektronik im Messgerät (unten)
V. Ribitsch 34
34

Die A / D Wandlung
Messdatenerfassung
Die physikalischen Messgrößen werden in eine elektrische Spannung oder
einen Strom umgewandelt (stehen untereinander nach dem Ohm'schen Gesetz
durch einen definierten Widerstand in Beziehung).
Nach einer Verstärkung oder Vorbearbeitung (z.B. Thermoelemente, die
Spannungen von nur wenigen mV liefern) erfolgt als zentrales Element die
Analog-Digital-Wandlung.
Dazu existieren mehrere Verfahren, die sich in den Kenngrößen
Auflösung
Genauigkeit
Geschwindigkeit
und natürlich auch den Kosten unterscheiden.
Die wichtigsten Techniken im Labor:
Parallel
Integrierend
Sukzessive Approximation
V. Ribitsch 35
35

Analog-Digital / Digital-Analog Wandlung
Wozu benötigt man AD/DA Wandler ?
In der elektrischen Messtechnik werden oft analoge Größen wie z.B. Spannung,
Widerstand, Temperatur, Gewicht usw. gemessen.
Die anfallenden Messdaten werden dann aber in digitaler Form zur Weiterverarbeitung
benötigt.
Dies ist z.B. dann der Fall, wenn Sie mit Computern veranschaulicht, gespeichert oder
übertragen werden sollen. Um diese analogen Größen in einem Zahlenwert zu wandeln
benötigt man Analog-Digital-Wandler.
Werden allerdings mit digitalen Steuerungen z.B. Computer, SPS usw.
Maschinen gesteuert (Drehzahlregelung) so benötigt man Digital-Analog-Wandler,
die die errechneten Zahlenwerte in eine analoge Spannung umsetzen.
V. Ribitsch 36
36

Digitale Messtechnik:
Elektrische Messtechnik
Viele Sensoren liefern Signale in Form von Strom oder Spannung in analoger Form, d.h.
kontinuierlich in Zeit und Amplitude. Sollen diese Signale digital verarbeitet werden, so
muss irgendwo in der Messkette eine Umwandlung in digitale Signale , durch eine
analog/digital Wandlung erfolgen. Digitale Signale haben einige Vorzüge:
� Messwerte können beliebig gespeichert werden
� die digitalisierten Messwerte erleiden keine weiteren Fehler
� beliebig lange Anzeigendauer
� komplexe Weiterverarbeitung ist möglich
� der Messvorgang kann automatisiert sowie schnell und oft wiederholt werden.
� große Mengen von Messdaten können verarbeitet werden.
V. Ribitsch 37
37

Analog / Digital Wandler:
Elektrische Messtechnik
Analog Digital Wandler (ADC) wandeln analoge Spannungswerte in digital dargestellte
Zahlenwerte um. Es erfolgt eine zeitdiskrete Abtastung.
Die Spannungsmessung erfordert immer einen Vergleich mit Bezugswerten. Daraus
resultieren unterschiedliche Konstruktionsprinzipien für ADCs. Man unterscheidet nach:
� Integrierende (Inkrementale) A/D Wandler
� Parallele A/D Wandler
�� A/D Wandler mit successive approximation
V. Ribitsch 38
38

Integrationsverfahren:
Elektrische Messtechnik
Integrationsverfahren arbeiten mit einer Regelschleife.
Die Steuerung verändert den digitalen Eingangswert des DAC solange, bis der Komparator
Gleichheit meldet und hält dann diesen Zustand. Der jeweilige digitale Wert ist proportional
der Eingangsspannung.
Es gibt folgende Grundtypen:
�� inkrementale Umsetzer
V. Ribitsch � sukzessive Approximation
39
39

Inkrementaler Umsetzer:
Eingang
U UE° U DAC
U DAC
U e
Elektrische Messtechnik
Vergleicher
DAC
Vorwärtszählschritt
V / R
Zähler
Rückwärtszählschritt
Ausgang
V. Ribitsch 40
t
40

Analog-Digital Wandlung
Komparatorverfahren Schaltungserklärung
Dieses Wandlungsverfahren gehört zu
der Gruppe der parallelen Wandler. Bei U ein
der dargestellten Schaltung wird ein 3 Bit
A/D Wandler mit Hilfe von
Komparatoren aufgebaut. Hierbei wird
die Eingangsspannung ständig mit 7
verschiedenen und gleichmäßig
abgestuften Spannungen verglichen.
An den Ausgängen der Komparatoren tritt
eine positive Spannung auf, sobald
die Eingangsspannung größer als die
anliegenden Referenzspannung ist. Über
eine Logik werden die Ausgänge dann
passend zu den Digitalausgängen
zugewiesen.
Uref 1
Uref 2
Uref 3
Uref 4
Uref 5
Uref 6
Q 1
Q 2
Uref 7 Q 3
Ein großer Vorteil dieser Schaltung ist, dass die Eingangsspannung direkt gewandelt wird
(direkter Wandler). So erhält man am Ausgang immer die gewandelte Eingangsspannung,
während bei anderen Wandlern erst eine Messzeit abläuft.
Nachteil ist, dass Wandler mit höherer Auflösung z.B. 8-Bit Wandler für jeden Zahlenwert ein
Komparator V. Ribitsch brauchen also 255. Dies ist sehr teuer.
41
41

Die A / D Wandlung
Auflösung
Messdatenerfassung
Sie sagt aus, wie viele verschiedene Messresultate der Wandler innerhalb seines
definierten Eingangsbereichs liefern kann und wird in bit angegeben.
Ein 16-bit-A/D-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 0 - 10 Volt besitzt
demzufolge 65536 (216 demzufolge 65536 (2 ) Möglichkeiten, deren Abstand daher 10 V/65536 = 0,15 Millivolt
16 ) Möglichkeiten, deren Abstand daher 10 V/65536 = 0,15 Millivolt
beträgt.
Wandler mit höherer Auflösung sind bei sonst gleichen Eigenschaften solchen mit
niedriger Auflösung vorzuziehen. Eine höhere Auflösung ist nur dann sinnvoll, wenn die
Elektronik auch garantiert, dass das Eingangssignal nicht deutlich stärker als die
Schrittweite verfälscht wird.
Genauigkeit
Dies wird meist in Form der "Linearität" (maximale Abweichung von der Idealgerade)
angegeben.
Beispiel dafür, dass eine höhere Auflösung durch fehlende Genauigkeit zunichte gemacht wird, ist eine
Stoppuhr mit Auflösung von 1/100 Sekunden, wobei durch die manuelle Betätigung diese Genauigkeit
niemals erreicht wird.
V. Ribitsch 42
42

Die A / D Wandlung
Geschwindigkeit "Samplingrate"
Messdatenerfassung
Es wird angegeben, wie viele einzelne Analog-Digital-Wandlungen pro Sekunde ausgeführt
werden können bzw. wie lange eine einzelne Messung dauert.
(Bei den erwähnten Wandlertypen sind hier meist Werte zwischen 10 und 100.000
Messungen pro Sekunde zu nennen).
Vorteile digitaler Daten:
Liegt der Messwert in digitaler Form vor, kann er:
elektronisch gespeichert
für weitere Berechnungen verwendet werden
Übertragen in digitale Form bezüglich Übertragungsfehlern
wesentlich sicherer
V. Ribitsch 43
43

Analoge Daten:
4 – 16 mA
0 – 1 V
0 – 2 V
Digitale Daten
Messdaten Übertragung
0 = 0V (- 0.8 - + 0.8 V)
1 = > 2.0 V
Dargestellt als Kombinationen von 0 u. 1 in 8, 12, 16, 32 bit breiten
Worten
28 2 = 256
8 = 256
212 = 4096
216 = 65536
V. Ribitsch 44
Serielle (RS 232, RS 488, ) parallel
44

Biological vs. technical sensor systems
Technical Biological
systems systems
Digital camera Temperature
sensor system
Eye
Resolution: 10 million pixels 1 out of 1000 7 million cones
(maximum 80*10 6 ) 120 million rods
Signal transfer: digital digital digital
Transfer: 16 bit 16 bit 106 fibres
Transfer rate 460 kHz 500 pulses /
neuron / sec
1,4 GBit/sec 15 MBit /sec 500 MBit / sec
Pre-processing no no yes
V. Ribitsch 45
45

Wie funktionieren elektronische Messgeräte
Elektronische Messgeräte funktionieren immer nach dem gleichen Prinzip:
• Um einen Parameter (Temperatur, pH-Wert, etc.) messen zu können, wird ein Sensor
benötigt.
• Dieser Sensor gibt ein Signal zu einem Messgerät.
• Das Signal wird elektronisch verarbeitet und der Messwert auf eine Anzeige geben.
Kann zusätzlich bei einem bestimmten Wert ein Kontakt geschlossen werden, spricht man
von Mess- und Regelgerät.
Schaltuhren (Timer), Wasserwechselautomaten, Niveaukontrollen gehören nicht zu den
Messgeräten - sie werden den Steuergeräten zugeordnet.
Sensor
Elektronik
analoge oder
digitale Anzeige
V. Ribitsch Schaltausgang
46
46

Wie funktionieren elektronische Messgeräte
Unterteilung von Elektronischen Messgeräten
Analoge und digitale Teile der unterschiedlichen Messgeräte.
Analog (siehe Skizze A) oder digital (B) sagt nichts über die Qualität der Messgeräte aus.
Auch können keine allgemeinen Aussagen über die Genauigkeit getroffen werden. Beide
Varianten V. Ribitsch haben ihre Vor- und Nachteile.
47
47

Wie funktionieren elektronische Messgeräte
Vor und Nachteile der unterschiedlichen Messgeräte:
Analoge Messgeräte:
• verführen dazu, einen Messwert genauer abzulesen als
das Messsystem ist.
• eine schwankende Anzeige ist besser abzulesen als eine Flut von
verschiedenen Zahlen.
Digitale Messgeräte:
• schnelle präzise Erfassung
• Datenspeicherung
• Datenverarbeitung
• Nullpunktabgleich usw..
V. Ribitsch 48
48

Elektrische Messtechnik
Schaltung eines Analog/Digital Wandlers für Videosignale
Sensor
Verstärker
Sync
Abtrennung
V sync
H sync
A
D
8 – 12 Bit
Rechner
Interface
V. Ribitsch 49
B
U
S
49

Batterien
• Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle
fest. Höhere Spannungen erhält man durch ein
Hintereinanderschalten (Sereinschaltung) mehrerer Zellen.
• Die Kapazität einer Batterie wird als theoretisch entnehmbare
Ladungsmenge in Amperstunden (Einheit: Ah) angegeben (im
Gegensatz zu einem Kondensator, wo sie in Ladung pro Spannung
gemessen wird).
Vorwiegend aus Marketinggründen ist die Kapazität bei nicht
wiederaufladbaren Batterien nicht angegeben und findet sich nur
in den Datenblättern der Hersteller. Die Batteriekapazität lässt sich
bei einem Entladevorgang nach einer vorgegebenen Norm messen.
V. Ribitsch 50
50

•
Batterien
Die entnehmbare Kapazität hängt vom Entladestrom und der Entladespannung
der Batterie ab. Es sind verschiedene Entladeverfahren üblich, u. a.: Entladung
mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung
mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverfahren weist die Batterie eine andere
Kapazität auf. In einer sinnvollen Angabe der Nennkapazität müssen daher
Entladestrom und Entladeschlussspannung mit aufgeführt werden.
• Generell nimmt die entnehmbare Kapazität einer Batterie mit zunehmendem
Entladestrom ab. Grund hierfür sind sowohl die zunehmenden Verluste am
Innenwidersatnd der Batterie als auch die Tatsache, dass die chemischen
Prozesse in der Batterie mit begrenzter Geschwindigkeit ablaufen. Die
Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom ist
stark vom Typ der Batterie abhängig. Die im praktischen Gebrauch
entnehmbare Ladungsmenge hängt ab vom Batterietyp, der Höhe des
Entladestroms, der Restspannung bei Entladungsende, des Batteriealters und der
Temperatur (siehe auch Energiedichte).
V. Ribitsch 51
51

Batterien
• Die Batteriekapazität oder der Maximalstrom bei gegebener Spannung lassen
sich durch größer gebaute Zellen erhöhen. Ein Parallelschalten von Zellen zur
Kapazitätserhöhung könnte demgegenüber zur gegenseitigen Entladung führen,
da sich einzelne Zellen in ihrer Leerlaufspannung etwas unterscheiden, so dass
Ausgleichsströme zwischen den Zellen fließen würden.
• Alle Batterien unterliegen bei Lagerung einer gewissen Selbstentladung,
abhängig vom Batterietyp und der Lagerungstemperatur: Je niedriger die
Temperatur, desto weniger Selbstentladung findet statt. Die meisten Akkus
verlieren ihre Ladung relativ schnell. Zink-Luft-Batterien für kleine
Elektronikgeräte sind hingegen am haltbarsten, weil sie nur unter Luftzufuhr
Strom liefern; die Öffnungen an der Batterie sind während der Lagerung mit
einem Kunststoffkleber verschlossen.
• Rücknahme und Entsorgung von Batterien: keine Batterien oder Zellen mit
einem Quecksilbergehalt von mehr als 0,0005 Gewichtsprozent in den Verkehr
gebracht werden dürfen. Bei Knopfzellen darf der Quecksilbergehalt nicht über
2,0 Gewichtsprozent liegen. Auch Alkali-Mangan-Batterien enthalten
heutzutage kein Quecksilber mehr, während es in den ersten Baureihen noch
zum Amalgieren des Elektrodenmaterials erforderlich war.
V. Ribitsch 52
52

Batterien
Typen-Variationen
• Handelsübliche Batterien gibt es in zahlreichen Varianten sowohl nach dem
zugrunde liegenden chemischen Redoxsystem als auch nach den elektrischen
Werten oder der geometrischen bzw. konstruktiven Bauform. Von einer
Trockenbatterie spricht man, wenn der Elektrolyt, zb H2So4 durch
Eindickung, nicht flüssig vorliegt. Dadurch wird die Batterie in beliebiger
räumlicher Orientierung, also insbesondere für transportable Anwendungen,
einsetzbar.
Einsatzbereiche
• Gerätebatterien dienen zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte,
beispielsweise in Taschenlampen. Besonders kleine Ausführungen werden als
Knopfzelle bezeichnet.
• Insbesondere für Kraftfahrzeuge werden Starterbatterien verwendet.
• Elektrofahrzeuge verfügen über Traktionsbatterien.
• Stationäre Batterien werden bei ortsfesten Anwendungen wie beispielsweise
Unterbrechungsfreie Stromversorgung eingesetzt.
V. Ribitsch 53
53

Typen-Variationen
Batterien
Primärzellen
• Primärzellen sind galvanische Zellen, die nach der Entladung nicht wieder neu
aufgeladen werden können. Die verschiedenen Typen werden nach den
eingesetzten Materialien bezeichnet:
• Alkali-Mangan-Batterie
Zelle
1,5 Volt Nennspannung pro
• Zink-Kohle-Batterie 1,5 Volt pro Zelle
• Nickel-Oxyhydroxid-Batterie 1,5 Volt pro Zelle
• Lithium-Batterien; je nach Kathodenmaterial 2,9 bis 3,6 V
• Lithium-Eisensulfid-Batterie 1,5 Volt pro Zelle
• Zink-Luft-Batterie 1,5 Volt pro Zelle
• Quecksilberoxid-Zink-Batterie 1,35 Volt pro Zelle
• Silberoxid-Zink-Batterie 1,55 Volt pro Zelle
V. Ribitsch 54
54

Sekundärzellen
Batterien
• Sekundärzellen oder Akkumulatoren sind galvanische Zellen, die nach der
Entladung wieder aufgeladen werden können. Verbreitete Typen werden
ebenfalls nach den verwendeten Materialien bezeichnet:
* Bleiakkumulator (Bleidioxid/Blei); 2 Volt Nennspannung pro Zelle. Der
Elektrolyt (Schwefelsäure H2SO4) kann in flüssiger Form, in Vlies
gebunden oder als Gel eingedickt (Blei-Gel-Akku) vorhanden sein.
* Nickel-Cadmium-Akku 1,2 Volt pro Zelle
* Nickel-Metallhybrid-Akku 1,2 Volt pro Zelle
* Lithium-Ionen-Akku 3,7 Volt pro Zelle
* Lithium-Polymer-Akku meist 3,7 Volt pro Zelle
* Alkali-Mangan-Batterie
(englisch: ''Reusable Alkaline
Manganese'', kurz: RAM) 1,5 Volt pro Zelle
* Silber-Zink-Akku 1,5 Volt pro Zelle
* Nickel-Wasserstoff-Akku 1,2 V pro Zelle
* Zink-Brom-Akku 1,76 V pro Zelle
V. Ribitsch 55
55

• Im Lithium-Ionen-Akku wird die
elektrische Energie in Lithium-
Atomen (an der negativen Elektrode)
Lithium-Ionen-Akku
und (zumeist) Übergangsmetall-Ionen
(an der positiven Elektrode) in einem
chemischen Prozess mit
Stoffänderung gespeichert.
• Im Li-Ion-Akku wandert Lithium in
ionisierter Form durch den
Elektrolyten zwischen den beiden
Elektroden hin- und her.
Daher Lithium-Ionen-Akku
• Die Übergangsmetall-Ionen (Co, Ni,
Mn, Fe) sind ortsfest.
zwei seriell verschaltetenZellen
ergeben eine Zellspannung von
7,2V und eine Kapazität von
etwa 1200mAh
Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-
Zelle (positive Elektrode: LiCoO2; negative
Elektrode: Li-Graphit
V. Ribitsch 56
56

Lithium-Ionen-Akku
Der Lithium-Ionen-Fluss ist zum Ausgleich des externen
Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die
Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben.
Beim Entladen geben Lithium-Atome an der negativen
Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den
externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt.
Gleichzeitig wandern gleich viele Lithium-Ionen durch
den Elektrolyten von der negativen zur positiven
Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen aber nicht
die Lithium-Ionen das Elektron wieder auf, sondern die
dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark
ionisierten und daher recht „elektronen – affinen“
Übergangsmetallionen.
Je nach Akkutyp sind das Kobalt-, Nickel-, Mangan-, Eisen-
Ionen usw. sein. Das Lithium liegt im entladenen Zustand
an der positiven Elektrode somit weiterhin in Ionen-Form
vor
V. Ribitsch 57
57

Lithium-Ionen-Akku - Materialien
• Negative Elektrode
Graphit, nanokristallines Si (Interkaliert Li), SnO2, Li4Ti5O12 • Positive Elektrode
LiCoO2, LiNiO2, LiNi 1−x CoxO2, LiNiÜbergangsmetalle, LiMn2O4, LiFePO4
• Elektrolyt: Salze (LiPF6, LiBF4) in wasserfreien LM (z. B. Ethylencarbonat,
Diethylcarbonat etc.), Polymere (Polyvinylfluoriden PVDF, Polyvinylidenfluorid-
Hexafluorpropen PVDF-HFP)
• Reaktionsgleichungen
• Negative Elektrode:
• Positive Elektrode:
• Redox-Gleichung:
• Metallisches Lithium kommt in keiner Reaktion vor, es werden Lithium-Atome, nicht –Ionen an
der negativen Elektrode in das Elektrodenmaterial interkaliert.
V. Ribitsch 58
58

Brennstoffzellen - Fuel Cells
• Elektrischer Energie: meist durch Verbrennung in einer
Wärmekraftmaschine in Verbindung mit einem Generator
thermische Enegerie Bewegungsenergie Elektr. E.
• Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu
erreichen und damit effizienter zu sein. Sie unterliegt nicht den
Restriktionen des Carnot-Prozesses.
Brennstoffzellen sind im Vergleich zum System
„Wärmekraftmaschine-Generator“ einfacher, zuverlässiger und
abnutzungsfester.
• Besonders vielversprechend: Wasserstoff -Sauerstoff-Brennstoffzellen
• Brennstoffzellen als Energiewandler in der Raumfahrt und für U_Boot
Antriebe. Für alltägliche Anwnedungen zu teuer und zu kurzlebig.
• Die Verdrängung des Verbrennungsmotors als Automobilantrieb ist
derzeit nicht erkennbar, Alternativen Akkus – Elektromotoren
intensive Entwicklung
V. Ribitsch 59
59

Brennstoffzellen - Fuel Cells
• Niedertemperatur – Protonenaustausch
Brennstoffzelle (Proton Exchange
Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder
Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC):
• Bipolarplatte als Elektrode mit
eingefräster Gaskanalstruktur,
beispielsweise aus leitfähigen
Kunststoffen (durch Zugabe zum Beispiel
von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch
leitend gemacht).
• Poröse Carbon-Papiere.
• Reaktivschicht, meist auf die
Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen
die vier Komponnetn Katalysator (Pt),
Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-
Nanomaterialien), Protonenleiter
(Ionomer) und Poröses Basismaterial
miteinander in Kontakt.
• Protonenleitende Ionomermembran:
gasdicht und nicht elektronenleitend.
V. Ribitsch 60
60

Brennstoffzellen - Fuel Cells
• Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt
(Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Anode ist mit dem Brennstoff umspült
(Wasserstoff, Methan, Methanol Glukose), der dort oxidiert wird. Die Kathode ist mit
dem Oxidationsmittel umspült (zum Beispiel Sauerstoff, H2O2, Kaliumthiocyanat)
das dort reduziert wird.
• Die verwendeten Materialien sind je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich. Die
Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Nanocarbon – tubes.
• Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator beschichtet, (Platin, Paladium).
• Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Basen oder Säuren,
Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken, Membranen dienen.
• Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt für die Wasserstoff-Sauerstoff-
Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen
von 0,5 bis 1 V (experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom
Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine
höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für
'Stapel') in Serie geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen
Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei der Hochtemperatur-Schmelzcarbonat
- Brennstoffzellen, MCFC).
V. Ribitsch 61
61

Brennstoffzelle – Chemische Reaktion
• Der Brennstoff, meist Wasserstoff, wird an
der Anode katalytisch oxidiert und Abgabe
von Elektronen in H3O + . Diese gelangen
durch die Ionen-Austausch-Membran in die
Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die
Elektronen werden aus der Brennstoffzelle
abgeleitet und fließen über einen
elektrischen Verbraucher zur Kathode.
An der Kathode wird das Oxidationsmittel,
meist Sauerstoff, durch Aufnahme der
Elektronen zu Anionen reduziert und
reagiert gleichzeitig mit den durch den
Elektrolyt zur Kathode gewanderten
Protonen zu Wasser.
• Brennstoffzellen dieser Art:
Polymermembran-Brennstoffzellen,
PEMFC (für Polymer Electrolyte
Membrane Fuel Cell) oder auch PEFC (für
Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
V. Ribitsch 62
62

Brennstoffzelle – Chemische Reaktion
• Der Brennstoff, meist Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch
oxidiert und Abgabe von Elektronen in H3O + . Diese gelangen durch
die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem
Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle
abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zur
Kathode.
An der Kathode wird das Oxidationsmittel, meist Sauerstoff, durch
Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert
gleichzeitig mit den durch den Elektrolyt zur Kathode gewanderten
Protonen zu Wasser.
• Brennstoffzellen dieser Art: Polymermembran-Brennstoffzellen,
PEMFC (für Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) oder auch
PEFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
• Reaktionsgleichungen für eine PEMFC:
• Saurer Elektrolyt
Anode – Oxidation 2 H2 + 4 H2O 4 H3O +
+ 4e- Kathode – Reduktion O + 4 H O + + 4e- Kathode – Reduktion O2 + 4 H3O 6 H O
+ + 4e- 6 H2O Gesamtreaktion
Redoxreaktion / Zellreaktion 2 H 2 + O 2 2H 2O
V. Ribitsch 63
63

Brennstoffzelle
V. Ribitsch 64
64

Überblick Brennstoffzellen
Bezeichnung Leistung Elektrolyt Mobiles
Ion
AFC (Alkaline Fuel Cell)
PEMFC (Proton Exchange
Membrane Fuel Cell)
DMFC (Direct Methanol Fuel
Cell)
PAFC (Phosphoric Acid Fuel
Cell)
MCFC (Molten Carbonate
Fuel Cell)
SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)
Sat
KOH
In Polymer
membran
In Polymer
membran
Phosphor Sre
Alkali
Carbonat
Schmelze
Oxidkeram
ischer
Elekrolyt
n
OH-
H3O+
H3O+
H3O+
CO 3 2-
Anoden
gas
H2
H2
MetOH
H2
Methan
Kohlegas
O2- Methan
O Kohlegas
Kathoden
gas
O2
O2 Luft
O2 Luft
O2 Luft
O2 Luft
O2 Luft
Leistung
kW
1 - 10
1 - 500
100
10.000
100.000
100.000
T°C Entwickl.
TR %
V. Ribitsch 65
80
90 –
120
200
650
800
1000
60
30-50
30
40
45
55
65

Brennstoffzelle - Methanol
V. Ribitsch 66
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