Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 3.1

Teil 3.1 | Eigenschaften

Die Maximaltemperatur von flüssigem Wasserstoff (LH2: engl. Liquid Hydrogen) bei Umgebungsdruck beträgt -253 °C. Im Umkehrschluss heißt das: Will man ihn bei auf der Erde typischen Umgebungstemperaturen verflüssigen, muss man ihn sehr stark abkühlen und am besten auch verdichten. Unter Umgebungsbedingungen ist Wasserstoff gasförmig (GH2: engl. Gaseous Hydrogen).

Wasserstoff hat im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen viele praktische Eigenschaften – oder vielmehr fehlen ihm viele Nachteile der fossilen Brennstoffe. Er ist zum Beispiel:

  • ungiftig und nicht reizend
  • umweltneutral, nicht wassergefährdend
  • geruchlos
  • geschmacksneutral
  • unsichtbar
  • im Freien nicht explosiv
  • nicht radioaktiv
  • nicht krebserzeugend

Darüber hinaus ist er leicht flüchtig, was die Handhabung durchaus anspruchsvoll macht.

Die wichtigsten Kenngrößen

Aggregatzustand:                                             fest

  • Schmelzpunkt von H2, TSch = -259,2 °C = 13,9 K

 

Aggregatzustand:                                             flüssig

  • Siedepunkt von LH2, TS = -252,8 °C = 20,3 K
  • Dichte rLH2 bei 20,3 K und 1.013 mbar = 70,79 g/l
  • Dichte rGH2 bei 20,3 K und 1.013 mbar = 1,34 g/l
  • Verdampfungswärme bei TS = 445,4 J/g = 31,5 kJ/l
  • Heizwert, HU, LH2, 119,97 MJ/kg = 33,33 kWh/kg = 8,50 MJ/l = 2,36 kWh/l
  • Temperatur am kritischen Punkt, TK = 33 K
  • Druck am kritischen Punkt, pK = 12,9 bar
  • Dichte rK, GH2 bei TK = 31,4 g/l 

 

Aggregatzustand:                                             gasförmig

  • Normalzustand       TN   = 0 °C, pN = 1.013 mbar
  • Dichte bei TN = 0,090 g/l
  • Dichte rGH2 bei 293 K und 1.013 mbar = 0,084 g/l
  • Dichteverhältnis Gas zu Luft (= 1): = 0,070
  • Heizwert HU, GH2, bei TN = 10,8 MJ/Nm= 3,0 kWh/Nm3
  • Verbrennungsenthalpie: = 289,5 kJ/mol
  • Zündbereich in Luft = 4,0 bis 77,0 Vol.-%
  • Zündtemperatur = 585 °C
  • Verbrennungstemperatur in Luft, TV = 2.045 °C
  • bei 29 Vol.-%, TVluft = 2.318 °C (mit Luft)
  • bei 29 Vol.-%, TVO2 > 3.000 °C (mit O2)
  • Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C und 1 bar, = 1,9 W/cmK
  • spezifische Wärmekapazität cp = 14,2 kJ/kgK
  • spezifische Wärmekapazität cv = 10,1 kJ/kgK
  • Diffusionskoeffizient = 0,61 cm2/s
  • Dynamische Viskosität bei 25 °C, 1 bar = 8,91 x 10-6 Ns/m2

Einige interessante Fakten über Wasserstoff:

  • Wasser enthält lediglich 11,2 Gewichtsprozent Wasserstoff.
  • Wasserstoff kann – neben Sauerstoff – auch mit Chlor stark reagieren.
  • Wasserstoff ist deshalb so leicht, weil sein Kern nur aus einem einzelnen Proton besteht. Bei einem Sechstausendstel der Wasserstoffatome der Erde ist zusätzlich ein Neutron im Kern vorhanden. Sie heißen „Schwerer Wasserstoff“ = Deuterium (D). Deuteriumkerne können miteinander verschmelzen und dabei große Energiemengen freisetzen (Kernfusion). Ein Billiardstel der Wasserstoffatome der Erde sind „Überschwerer Wasserstoff“ = Tritium (T), das zwei Neutronen im Kern hat. Tritium ist radioaktiv und wird unter anderem als Indikator (Tracer) zur Markierung von Substanzen eingesetzt.
  • Wenn Wasserstoff brennt, gibt er Strahlung, vor allem im ultravioletten Bereich (310 ŋm), ab. Diese Strahlung kann Sonnenbrand verursachen. Gleichzeitig weist er aufgrund des Mangels an Kohlenstoff nur ein Zehntel der Wärmeabstrahlung von anderen Brenngasen auf.
  • Während sich die meisten Gase bei einer Ausdehnung abkühlen, führt die Entspannung von Wasserstoff bei Normaltemperatur zu einer geringfügigen Erwärmung (negativer Joule-Thompson-Effekt). Das ändert sich erst unterhalb des sogenannten Umkehrpunktes (TU) bei -73 °C.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verständlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend überarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhältlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergänzt, Überholtes entfernt. Neben den jüngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine Vorgänger – die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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