Wie die Existenz verschiedener Arten von Motoren Verbrennungs gibt es verschiedene Arten von Brennstoffzellen – die Wahl passende Art Brennstoffzelle hängt von ihrer Anwendung ab.
Brennstoffzellen unterteilt in Hochtemperatur und Niedertemperatur. Niedertemperatur-Brennstoffzellen relativ reinen Wasserstoff als Brennstoff benötigen. Dies bedeutet häufig, dass eine Brennstoffaufbereitung erforderlich ist, um den Primärbrennstoff (z. B. Erdgas) in reinen Wasserstoff umzuwandeln. Dieser Prozess verbraucht zusätzliche Energie und erfordert eine spezielle Ausrüstung. Hochtemperatur-Brennstoffzellen benötigen dieses zusätzliche Verfahren nicht, da sie den Kraftstoff bei erhöhten Temperaturen „intern umwandeln“ können, wodurch keine Investitionen in die Wasserstoffinfrastruktur erforderlich sind.
Brennstoffzellen auf geschmolzenem Karbonat (MCFC)
Schmelzkarbonat-Elektrolyt-Brennstoffzellen sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht die direkte Verwendung von Erdgas ohne Brennstoffprozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert Herstellungsprozesse und aus anderen Quellen. Dieses Verfahren wurde Mitte der 1960er Jahre entwickelt. Seitdem wurden Herstellungstechnologie, Leistung und Zuverlässigkeit verbessert.
Der Betrieb von RCFC unterscheidet sich von anderen Brennstoffzellen. Diese Zellen verwenden einen Elektrolyten aus einer Mischung geschmolzener Carbonatsalze. Derzeit werden zwei Arten von Mischungen verwendet: Lithiumcarbonat und Kaliumcarbonat oder Lithiumcarbonat und Natriumcarbonat. Karbonatsalze zu schmelzen und zu erreichen hochgradig Mobilität von Ionen im Elektrolyten, Brennstoffzellen mit Schmelzkarbonat-Elektrolyt arbeiten bei hohen Temperaturen (650°C). Der Wirkungsgrad variiert zwischen 60-80%.
Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 650°C werden Salze zu einem Leiter für Carbonationen (CO 3 2-). Diese Ionen gelangen von der Kathode zur Anode, wo sie sich mit Wasserstoff verbinden, um Wasser, Kohlendioxid und freie Elektronen zu bilden. Diese Elektronen werden durch einen externen Stromkreis zurück zur Kathode geschickt und erzeugen als Nebenprodukt elektrischen Strom und Wärme.
Anodenreaktion: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktion an der Kathode: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Allgemeine Elementreaktion: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (Kathode) => H 2 O (g) + CO 2 (Anode)
Die hohen Betriebstemperaturen von Schmelzkarbonatelektrolyt-Brennstoffzellen haben gewisse Vorteile. Bei hohen Temperaturen wird das Erdgas intern reformiert, wodurch ein Brennstoffprozessor überflüssig wird. Zu den Vorteilen gehört außerdem die Möglichkeit, Standardkonstruktionsmaterialien wie Edelstahlblech und Nickelkatalysator an den Elektroden zu verwenden. Die Abwärme kann zur Erzeugung von Hochdruckdampf für verschiedene industrielle und gewerbliche Anwendungen genutzt werden.
Auch hohe Reaktionstemperaturen im Elektrolyten haben ihre Vorteile. Die Verwendung hoher Temperaturen dauert lange, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung von Brennstoffzellensystemen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt unter konstanten Leistungsbedingungen. Hohe Temperaturen verhindern Brennstoffzellenschäden durch Kohlenmonoxid, „Vergiftung“ etc.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen eignen sich für den Einsatz in stationären Großanlagen. Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 2,8 MW werden industriell hergestellt. Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW werden entwickelt.
Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PFC)
Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) waren die ersten Brennstoffzellen für den kommerziellen Einsatz. Dieses Verfahren wurde Mitte der 1960er Jahre entwickelt und seit den 1970er Jahren erprobt. Seitdem wurden Stabilität, Leistung und Kosten gesteigert.
Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) verwenden einen Elektrolyten auf Basis von Orthophosphorsäure (H 3 PO 4 ) mit einer Konzentration von bis zu 100 %. Die Ionenleitfähigkeit von Phosphorsäure ist bei niedrigen Temperaturen gering, daher werden diese Brennstoffzellen bei Temperaturen bis 150–220 °C eingesetzt.
Der Ladungsträger in derartigen Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H + , Proton). Ein ähnlicher Prozess findet in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (MEFCs) statt, in denen der Anode zugeführter Wasserstoff in Protonen und Elektronen gespalten wird. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Luftsauerstoff an der Kathode zu Wasser. Die Elektronen werden entlang eines externen Stromkreises geleitet und ein elektrischer Strom wird erzeugt. Nachfolgend sind die Reaktionen aufgeführt, die Strom und Wärme erzeugen.
Reaktion an der Anode: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Allgemeine Elementreaktion: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) beträgt mehr als 40 % bei der Erzeugung elektrischer Energie. Bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom liegt der Gesamtwirkungsgrad bei etwa 85 %. Darüber hinaus kann Abwärme bei gegebenen Betriebstemperaturen zur Erwärmung von Wasser und zur Erzeugung von Dampf bei atmosphärischem Druck genutzt werden.
Die hohe Leistung von thermischen Kraftwerken auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom ist einer der Vorteile dieser Art von Brennstoffzellen. Die Anlagen verwenden Kohlenmonoxid in einer Konzentration von etwa 1,5 %, was die Auswahl an Brennstoffen erheblich erweitert. Außerdem beeinträchtigt CO 2 den Elektrolyten und den Betrieb der Brennstoffzelle nicht, dieser Zelltyp arbeitet mit reformiertem Naturbrennstoff. Einfaches Design, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind weitere Vorteile dieses Brennstoffzellentyps.
Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Ausgangsleistung von bis zu 400 kW werden industriell hergestellt. Anlagen für 11 MW haben die entsprechenden Tests bestanden. Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW werden entwickelt.
Brennstoffzellen mit Proton Exchange Membrane (PME)
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen gelten als die beste Art von Brennstoffzellen für die Fahrzeugstromerzeugung, die Benzin- und Diesel-Verbrennungsmotoren ersetzen können. Diese Brennstoffzellen wurden erstmals von der NASA für das Gemini-Programm verwendet. Heute werden Anlagen auf MOPFC mit einer Leistung von 1 W bis 2 kW entwickelt und demonstriert.
Diese Brennstoffzellen verwenden als Elektrolyt eine feste Polymermembran (dünne Kunststofffolie). Wenn es mit Wasser imprägniert wird, lässt dieses Polymer Protonen, aber keine Elektronen leiten.
Der Brennstoff ist Wasserstoff und der Ladungsträger ein Wasserstoffion (Proton). An der Anode wird das Wasserstoffmolekül in ein Wasserstoffion (Proton) und Elektronen getrennt. Die Wasserstoffionen passieren den Elektrolyten zur Kathode, und die Elektronen wandern um den äußeren Kreis herum und produzieren elektrische Energie. Sauerstoff, der der Luft entnommen wird, wird der Kathode zugeführt und verbindet sich mit Elektronen und Wasserstoffionen zu Wasser. An den Elektroden finden folgende Reaktionen statt:
Reaktion an der Anode: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Allgemeine Elementreaktion: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Im Vergleich zu anderen Arten von Brennstoffzellen erzeugen Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran mehr Leistung für ein gegebenes Brennstoffzellenvolumen oder -gewicht. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, kompakt und leicht zu sein. Außerdem liegt die Betriebstemperatur unter 100°C, was Ihnen eine schnelle Inbetriebnahme ermöglicht. Diese Eigenschaften sowie die Fähigkeit, die Energieabgabe schnell zu ändern, sind nur einige der Merkmale, die diese Brennstoffzellen zu einem erstklassigen Kandidaten für den Einsatz in Fahrzeugen machen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Elektrolyt eine feste und keine flüssige Substanz ist. Das Halten der Gase an Kathode und Anode ist mit einem Festelektrolyten einfacher und daher sind solche Brennstoffzellen billiger herzustellen. Im Vergleich zu anderen Elektrolyten verursacht die Verwendung eines Festelektrolyten keine Probleme wie Orientierung, es gibt weniger Probleme durch das Auftreten von Korrosion, was zu einer längeren Haltbarkeit der Zelle und ihrer Komponenten führt.
Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)
Festoxid-Brennstoffzellen sind die Brennstoffzellen mit der höchsten Betriebstemperatur. Die Betriebstemperatur kann von 600 °C bis 1000 °C variieren, was den Einsatz verschiedener Kraftstoffarten ohne spezielle Vorbehandlung ermöglicht. Um mit diesen hohen Temperaturen fertig zu werden, ist der verwendete Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis, oft eine Legierung aus Yttrium und Zirkonium, das ein Leiter von Sauerstoff (O 2 – )-Ionen ist. Die Technologie der Verwendung von Festoxidbrennstoffzellen hat sich seit den späten 1950er Jahren entwickelt. und hat zwei Konfigurationen: planar und röhrenförmig.
Ein Festelektrolyt sorgt für einen hermetischen Gasübergang von einer Elektrode zur anderen, während sich Flüssigelektrolyte in einem porösen Substrat befinden. Ladungsträger in derartigen Brennstoffzellen ist das Sauerstoffion (O 2 -). An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle aus der Luft in ein Sauerstoffion und vier Elektronen getrennt. Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Wasserstoff zu vier freien Elektronen. Elektronen werden durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch elektrischer Strom und Abwärme erzeugt werden.
Reaktion an der Anode: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Allgemeine Elementreaktion: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Der Wirkungsgrad der erzeugten elektrischen Energie ist der höchste aller Brennstoffzellen – etwa 60 %. Darüber hinaus ermöglichen hohe Betriebstemperaturen eine Kraft-Wärme-Kopplung zur Erzeugung von Hochdruckdampf. Durch die Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Turbine entsteht eine Hybrid-Brennstoffzelle, die den Wirkungsgrad der Stromerzeugung um bis zu 70 % steigert.
Festoxidbrennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (600 °C–1000 °C), was dazu führt, dass es lange dauert, bis optimale Betriebsbedingungen erreicht werden, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Stromverbrauchs. Bei solch hohen Betriebstemperaturen ist kein Konverter erforderlich, um Wasserstoff aus dem Brennstoff zurückzugewinnen, wodurch das Wärmekraftwerk mit relativ unreinen Brennstoffen aus der Kohlevergasung oder Abgasen und dergleichen betrieben werden kann. Außerdem eignet sich diese Brennstoffzelle hervorragend für Hochleistungsanwendungen, einschließlich industrieller und großer zentraler Kraftwerke. Industriell gefertigte Module mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 100 kW.
Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation (DOMTE)
Die Technologie der Verwendung von Brennstoffzellen mit direkter Oxidation von Methanol befindet sich in einer Phase aktiver Entwicklung. Sie hat sich erfolgreich im Bereich Ernährung etabliert Mobiltelefone, Laptops sowie zur Schaffung tragbarer Stromquellen. worauf die zukünftige Anwendung dieser Elemente abzielt.
Der Aufbau von Brennstoffzellen mit Direktoxidation von Methanol ähnelt Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (MOFEC), d.h. Als Elektrolyt wird ein Polymer und als Ladungsträger ein Wasserstoffion (Proton) verwendet. Flüssiges Methanol (CH 3 OH) wird jedoch in Gegenwart von Wasser an der Anode oxidiert, wobei CO 2 , Wasserstoffionen und Elektronen freigesetzt werden, die durch einen äußeren Stromkreis geleitet werden und ein elektrischer Strom entsteht. Wasserstoffionen passieren den Elektrolyten und reagieren an der Anode mit Luftsauerstoff und Elektronen aus dem äußeren Kreislauf zu Wasser.
Reaktion an der Anode: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktion an der Kathode: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Allgemeine Elementreaktion: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Die Entwicklung dieser Brennstoffzellen begann Anfang der 1990er Jahre. Nach der Entwicklung verbesserter Katalysatoren und dank anderer neuerer Innovationen wurden Leistungsdichte und Wirkungsgrad um bis zu 40 % gesteigert.
Diese Elemente wurden im Temperaturbereich von 50-120°C getestet. Mit niedrigen Betriebstemperaturen und ohne Konverter sind Direktmethanol-Brennstoffzellen der beste Kandidat für Anwendungen, die von Mobiltelefonen und anderen Konsumgütern bis hin zu Automotoren reichen. Der Vorteil dieser Art von Brennstoffzellen ist ihre geringe Größe aufgrund der Verwendung von flüssigem Brennstoff und das Fehlen der Verwendung eines Konverters.
Alkalische Brennstoffzellen (AFC)
Alkalische Brennstoffzellen (ALFCs) sind eine der am besten untersuchten Technologien und werden seit Mitte der 1960er Jahre verwendet. von der NASA in den Programmen Apollo und Space Shuttle. An Bord dieser Raumfahrzeuge erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie und Wasser trinken. Alkalische Brennstoffzellen sind mit einem Wirkungsgrad der Stromerzeugung von bis zu 70 % eines der effizientesten Elemente zur Stromerzeugung.
Alkalische Brennstoffzellen verwenden einen Elektrolyten, d. h. eine wässrige Kaliumhydroxidlösung, die in einer porösen, stabilisierten Matrix enthalten ist. Die Konzentration von Kaliumhydroxid kann in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle variieren, die von 65°C bis 220°C reicht. Der Ladungsträger in einem SFC ist ein Hydroxidion (OH-), das sich von der Kathode zur Anode bewegt, wo es mit Wasserstoff reagiert, um Wasser und Elektronen zu erzeugen. Das an der Anode entstehende Wasser wandert zurück zur Kathode und erzeugt dort wiederum Hydroxid-Ionen. Als Ergebnis dieser Reihe von Reaktionen, die in der Brennstoffzelle stattfinden, entsteht Strom und als Nebenprodukt Wärme:
Reaktion an der Anode: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Allgemeine Reaktion des Systems: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Der Vorteil von SFCs besteht darin, dass diese Brennstoffzellen am billigsten herzustellen sind, da der Katalysator, der auf den Elektroden benötigt wird, alle Substanzen sein kann, die billiger sind als diejenigen, die als Katalysatoren für andere Brennstoffzellen verwendet werden. Darüber hinaus arbeiten SCFCs bei einer relativ niedrigen Temperatur und gehören zu den effizientesten Brennstoffzellen – solche Eigenschaften können jeweils zu einer schnelleren Stromerzeugung und einer hohen Kraftstoffeffizienz beitragen.
Eines der charakteristischen Merkmale von SHTE ist seine hohe Empfindlichkeit gegenüber CO 2 , das in Kraftstoff oder Luft enthalten sein kann. CO 2 reagiert mit dem Elektrolyten, vergiftet ihn schnell und reduziert die Effizienz der Brennstoffzelle stark. Daher ist der Einsatz von SFCs auf geschlossene Räume wie Raum- und Unterwasserfahrzeuge beschränkt, sie müssen mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden. Darüber hinaus sind Moleküle wie CO, H 2 O und CH 4 , die für andere Brennstoffzellen sicher und für einige von ihnen sogar Brennstoff sind, für SFC schädlich.
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PETE)
Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen an das Wassermolekül gebundene Wasserionen H 2 O + (Proton, rot) geleitet werden. Wassermoleküle stellen aufgrund des langsamen Ionenaustauschs ein Problem dar. Daher ist eine hohe Wasserkonzentration sowohl im Kraftstoff als auch an den Abgaselektroden erforderlich, was die Betriebstemperatur auf 100 °C begrenzt.
Festsäure-Brennstoffzellen (SCFC)
In Festsäure-Brennstoffzellen enthält der Elektrolyt (C s HSO 4 ) kein Wasser. Die Betriebstemperatur beträgt daher 100-300°C. Die Rotation der SO 4 2-Oxy-Anionen ermöglicht es den Protonen (rot), sich wie in der Abbildung gezeigt zu bewegen. Typischerweise ist eine Feststoff-Säure-Brennstoffzelle ein Sandwich, bei dem eine sehr dünne Schicht einer festen Säureverbindung zwischen zwei fest zusammengepressten Elektroden angeordnet ist, um einen guten Kontakt sicherzustellen. Beim Erhitzen verdampft die organische Komponente, tritt durch die Poren in den Elektroden aus und behält die Fähigkeit zahlreicher Kontakte zwischen dem Brennstoff (oder Sauerstoff am anderen Ende der Zelle), dem Elektrolyten und den Elektroden bei.
| Brennstoffzellentyp | Arbeitstemperatur | Effizienz der Stromerzeugung | Treibstoffart | Anwendungsgebiet |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700 °C | 50-70% | Mittlere und große Installationen | |
| FKTE | 100–220 °C | 35-40% | Reiner Wasserstoff | Große Installationen |
| MÖPFE | 30-100°C | 35-50% | Reiner Wasserstoff | Kleine Installationen |
| SOFC | 450–1000 °C | 45-70% | Die meisten Kohlenwasserstoffbrennstoffe | Kleine, mittlere und große Installationen |
| POMTE | 20-90°C | 20-30% | Methanol | Tragbare Einheiten |
| SHTE | 50–200 °C | 40-65% | Reiner Wasserstoff | Weltraumforschung |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | Reiner Wasserstoff | Kleine Installationen |
Teil 1
In diesem Artikel werden das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen, ihre Konstruktion, Klassifizierung, Vor- und Nachteile, Umfang, Effizienz, Entstehungsgeschichte und moderne Einsatzmöglichkeiten ausführlicher behandelt. Im zweiten Teil des Artikels, das in der nächsten Ausgabe des ABOK-Magazins erscheint, zeigt Beispiele für Anlagen, in denen verschiedene Arten von Brennstoffzellen als Wärme- und Stromquelle (oder nur Strom) genutzt wurden.
Einführung
Brennstoffzellen sind eine sehr effiziente, zuverlässige, langlebige und umweltfreundliche Art der Energieerzeugung.
Anfänglich nur in der Raumfahrt eingesetzt, werden Brennstoffzellen heute zunehmend in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt – als stationäre Kraftwerke, autarke Wärme- und Stromquellen für Gebäude, Fahrzeugmotoren, Stromversorgungen für Laptops und Mobiltelefone. Einige dieser Geräte sind Laborprototypen, einige befinden sich in der Vorserienprüfung oder werden zu Demonstrationszwecken verwendet, aber viele Modelle werden in Massenproduktion hergestellt und in kommerziellen Projekten eingesetzt.
Eine Brennstoffzelle (elektrochemischer Generator) ist ein Gerät, das die chemische Energie von Brennstoff (Wasserstoff) im Prozess einer elektrochemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umwandelt, im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien, die die Verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen verwenden. Die direkte elektrochemische Umwandlung von Brennstoff ist sehr effizient und aus Umweltsicht attraktiv, da im Betrieb nur minimale Schadstoffe freigesetzt werden und keine starken Geräusche und Vibrationen auftreten.
Aus praktischer Sicht ähnelt eine Brennstoffzelle einer herkömmlichen galvanischen Batterie. Der Unterschied liegt darin, dass die Batterie zunächst geladen, also mit „Treibstoff“ gefüllt wird. Während des Betriebs wird „Kraftstoff“ verbraucht und die Batterie entladen. Im Gegensatz zu einer Batterie nutzt eine Brennstoffzelle Brennstoff, der von einer externen Quelle zugeführt wird, um elektrische Energie zu erzeugen (Abb. 1).
Zur Erzeugung elektrischer Energie kann nicht nur reiner Wasserstoff verwendet werden, sondern auch andere wasserstoffhaltige Rohstoffe wie Erdgas, Ammoniak, Methanol oder Benzin. Gewöhnliche Luft wird als Sauerstoffquelle verwendet, die auch für die Reaktion notwendig ist.
Bei der Verwendung von reinem Wasserstoff als Brennstoff sind die Reaktionsprodukte neben elektrischer Energie Wärme und Wasser (bzw. Wasserdampf), d. h. es werden keine Gase in die Atmosphäre abgegeben, die eine Luftverschmutzung oder einen Treibhauseffekt verursachen. Wenn ein wasserstoffhaltiges Ausgangsmaterial wie Erdgas als Brennstoff verwendet wird, sind andere Gase wie Kohlenstoff- und Stickstoffoxide ein Nebenprodukt der Reaktion, aber ihre Menge ist viel geringer als bei der Verbrennung derselben Menge Erdgas.
Der Prozess der chemischen Umwandlung von Brennstoff zur Erzeugung von Wasserstoff wird als Reformieren bezeichnet, und die entsprechende Vorrichtung wird als Reformer bezeichnet.
Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind energieeffizienter als Verbrennungsmotoren, da es keine thermodynamische Begrenzung der Energieeffizienz für Brennstoffzellen gibt. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt 50 %, während der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren 12-15 % beträgt und der Wirkungsgrad von Dampfturbinenkraftwerken 40 % nicht überschreitet. Durch die Nutzung von Wärme und Wasser wird die Effizienz von Brennstoffzellen weiter gesteigert.
Im Gegensatz zu beispielsweise Verbrennungsmotoren bleibt der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auch dann sehr hoch, wenn sie nicht mit voller Leistung arbeiten. Zudem lässt sich die Leistung von Brennstoffzellen durch einfaches Hinzufügen einzelner Blöcke steigern, wobei sich der Wirkungsgrad nicht ändert, d.h. große Anlagen sind genauso effizient wie kleine. Diese Umstände erlauben eine sehr flexible Wahl der Gerätezusammenstellung nach Kundenwunsch und führen letztlich zu einer Reduzierung der Gerätekosten.
Ein wichtiger Vorteil von Brennstoffzellen ist ihre Umweltfreundlichkeit. Luftemissionen von Schadstoffen aus dem Brennstoffzellenbetrieb sind so gering, dass sie in manchen Gegenden der Vereinigten Staaten keiner besonderen Genehmigung bedürfen Regierungsbehörden Kontrolle der Qualität der Umgebungsluft.
Brennstoffzellen können direkt im Gebäude platziert werden, wodurch Energieübertragungsverluste reduziert werden, und die durch die Reaktion erzeugte Wärme kann verwendet werden, um das Gebäude mit Wärme oder Warmwasser zu versorgen. Autonome Wärme- und Stromquellen können in abgelegenen Gebieten und in Regionen, die durch Stromknappheit und -kosten gekennzeichnet sind, aber gleichzeitig Reserven an wasserstoffhaltigen Rohstoffen (Erdöl, Erdgas) haben, sehr vorteilhaft sein. .
Die Vorteile von Brennstoffzellen sind auch die Verfügbarkeit von Brennstoff, Zuverlässigkeit (es gibt keine beweglichen Teile in der Brennstoffzelle), Langlebigkeit und einfache Bedienung.
Einer der Hauptnachteile von Brennstoffzellen heute sind ihre relativ hohen Kosten, aber dieser Nachteil könnte bald überwunden werden, wenn mehr Unternehmen produzieren Handelsmuster Brennstoffzellen, sie werden ständig verbessert und ihre Kosten sinken.
Die möglichst effiziente Nutzung von reinem Wasserstoff als Kraftstoff erfordert jedoch die Schaffung einer speziellen Infrastruktur für dessen Erzeugung und Transport. Derzeit verwenden alle kommerziellen Konstruktionen Erdgas und ähnliche Brennstoffe. Kraftfahrzeuge können normales Benzin verwenden, wodurch das bestehende ausgebaute Tankstellennetz aufrechterhalten werden kann. Die Verwendung eines solchen Brennstoffs führt jedoch zu schädlichen Emissionen in die Atmosphäre (wenn auch sehr gering) und verkompliziert (und erhöht daher die Kosten) der Brennstoffzelle. Zukünftige Möglichkeiten der Nutzung umweltfreundlicher erneuerbarer Energiequellen (z. B. Solarenergie oder Windkraft), um Wasser per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen und den entstehenden Brennstoff anschließend in einer Brennstoffzelle umzuwandeln. Solche kombinierten Anlagen, die in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten, können eine absolut umweltfreundliche, zuverlässige, langlebige und effiziente Energiequelle sein.
Eine weitere Eigenschaft von Brennstoffzellen ist, dass sie am effizientesten sind, wenn sie gleichzeitig elektrische und thermische Energie nutzen. Die Möglichkeit der thermischen Energienutzung ist jedoch nicht in jeder Anlage vorhanden. Bei der reinen Nutzung von Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie sinkt deren Wirkungsgrad, übersteigt aber den Wirkungsgrad „herkömmlicher“ Anlagen.
Geschichte und moderne Verwendung von Brennstoffzellen
Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen wurde 1839 entdeckt. Der englische Wissenschaftler William Grove (1811-1896) entdeckte, dass der Prozess der Elektrolyse – die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischem Strom – reversibel ist, d.h. Wasserstoff und Sauerstoff können ohne Verbrennung, aber mit die Freisetzung von Wärme und elektrischem Strom. Grove nannte das Gerät, in dem eine solche Reaktion durchgeführt wurde, eine „Gasbatterie“, die die erste Brennstoffzelle war.
Die aktive Entwicklung von Brennstoffzellentechnologien begann nach dem Zweiten Weltkrieg und ist mit der Luft- und Raumfahrtindustrie verbunden. Damals wurde nach einer effizienten und zuverlässigen, aber gleichzeitig recht kompakten Energiequelle gesucht. In den 1960er Jahren wählten NASA-Spezialisten (National Aeronautics and Space Administration, NASA) Brennstoffzellen als Energiequelle für Raumfahrzeuge der Programme Apollo (bemannte Flüge zum Mond), Apollo-Sojus, Gemini und Skylab. Der Apollo verwendete drei 1,5-kW-Einheiten (2,2 kW Spitzenleistung), die kryogenen Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasser verwendeten. Die Masse jeder Installation betrug 113 kg. Diese drei Zellen arbeiteten parallel, aber die von einer Einheit erzeugte Energie reichte für eine sichere Rückkehr. Bei 18 Flügen haben die Brennstoffzellen insgesamt 10.000 Stunden ohne Ausfälle absolviert. Derzeit werden Brennstoffzellen in der Raumfähre „Space Shuttle“ eingesetzt, die drei Einheiten mit einer Leistung von 12 W verwendet, die die gesamte elektrische Energie an Bord des Raumfahrzeugs erzeugen (Abb. 2). Das durch eine elektrochemische Reaktion gewonnene Wasser wird als Trinkwasser sowie für Kühlgeräte verwendet.
In unserem Land wurde auch daran gearbeitet, Brennstoffzellen für den Einsatz in der Raumfahrt zu entwickeln. Zum Beispiel wurden Brennstoffzellen zur Stromversorgung verwendet Sowjetisches Schiff wiederverwendbare "Buran".
Die Entwicklung von Verfahren zur kommerziellen Nutzung von Brennstoffzellen begann Mitte der 1960er Jahre. Diese Entwicklungen wurden teilweise von Regierungsorganisationen finanziert.
Derzeit geht die Entwicklung von Technologien für den Einsatz von Brennstoffzellen in mehrere Richtungen. Dies ist die Schaffung stationärer Kraftwerke auf Brennstoffzellen (sowohl für die zentrale als auch für die dezentrale Energieversorgung), Kraftwerke von Fahrzeugen (Proben von Autos und Bussen auf Brennstoffzellen wurden erstellt, auch in unserem Land) (Abb. 3) und auch Netzteile für diverse mobile Geräte (Laptops, Handys etc.) (Abb. 4).
Beispiele für den Einsatz von Brennstoffzellen in verschiedenen Bereichen sind in Tabelle angegeben. eines.
Eines der ersten kommerziellen Modelle von Brennstoffzellen, die für die autonome Wärme- und Stromversorgung von Gebäuden entwickelt wurden, war das PC25 Modell A, hergestellt von der ONSI Corporation (jetzt United Technologies, Inc.). Diese Brennstoffzelle mit einer Nennleistung von 200 kW gehört zum Typ der Zellen mit einem Elektrolyt auf Basis von Phosphorsäure (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Die Zahl "25" im Namen des Modells bedeutet die Seriennummer des Designs. Die meisten Vorgängermodelle waren Versuchs- oder Teststücke, wie das 12,5-kW-Modell "PC11", das in den 1970er Jahren erschien. Die neuen Modelle erhöhten die aus einer einzelnen Brennstoffzelle entnommene Leistung und senkten auch die Kosten pro erzeugtem Kilowatt Energie. Derzeit ist eines der effizientesten kommerziellen Modelle die Brennstoffzelle PC25 Model C. Hierbei handelt es sich wie beim Modell „A“ um eine vollautomatische Brennstoffzelle vom Typ PAFC mit einer Leistung von 200 kW, die als unabhängige Wärme- und Stromquelle direkt am Serviceobjekt installiert werden kann. Eine solche Brennstoffzelle kann außerhalb des Gebäudes installiert werden. Äußerlich ist es ein Quader mit einer Länge von 5,5 m, einer Breite von 3 m und einer Höhe von 3 m und einem Gewicht von 18.140 kg. Der Unterschied zu den Vorgängermodellen ist ein verbesserter Reformer und eine höhere Stromdichte.
| Tabelle 1 Anwendungsbereich von Brennstoffzellen |
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Bei manchen Brennstoffzellentypen lässt sich der chemische Prozess umkehren: Durch Anlegen einer Potentialdifferenz an die Elektroden kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden, die sich an porösen Elektroden sammeln. Wenn eine Last angeschlossen wird, beginnt eine solche regenerative Brennstoffzelle, elektrische Energie zu erzeugen.
Eine vielversprechende Richtung für den Einsatz von Brennstoffzellen ist ihre Verwendung in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen, wie beispielsweise Photovoltaikmodulen oder Windturbinen. Mit dieser Technologie können Sie Luftverschmutzung vollständig vermeiden. Ein ähnliches System soll zB beim Adam Joseph Lewis Training Center in Oberlin entstehen (vgl. ABOK, 2002, Nr. 5, S. 10). Derzeit, als eine der Energiequellen in diesem Gebäude, Sonnenkollektoren. Zusammen mit NASA-Spezialisten wurde ein Projekt entwickelt, um mithilfe von Photovoltaikmodulen Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser durch Elektrolyse herzustellen. Der Wasserstoff wird dann in Brennstoffzellen zur Strom- und Warmwassererzeugung genutzt. Dadurch kann das Gebäude die Leistung aller Systeme an bewölkten Tagen und in der Nacht aufrechterhalten.
Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen
Betrachten wir als Beispiel das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle am einfachsten Element mit einer Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane, PEM). Ein solches Element besteht aus einer Polymermembran, die zwischen der Anode (positive Elektrode) und der Kathode (negative Elektrode) zusammen mit den Anoden- und Kathodenkatalysatoren angeordnet ist. Als Elektrolyt wird eine Polymermembran verwendet. Das Diagramm des PEM-Elements ist in Abb. 1 dargestellt. 5.
Eine Protonenaustauschmembran (PEM) ist eine dünne (ungefähr 2–7 Blätter Normalpapier dick) feste organische Verbindung. Diese Membran fungiert als Elektrolyt: Sie trennt Materie in Gegenwart von Wasser in positiv und negativ geladene Ionen.
An der Anode findet ein oxidativer Prozess statt, an der Kathode ein Reduktionsprozess. Die Anode und Kathode in der PEM-Zelle bestehen aus einem porösen Material, das eine Mischung aus Kohlenstoff- und Platinpartikeln ist. Platin wirkt als Katalysator, der die Dissoziationsreaktion fördert. Die Anode und die Kathode sind für den freien Durchgang von Wasserstoff bzw. Sauerstoff porös gemacht.
Anode und Kathode sind zwischen zwei Metallplatten angeordnet, die Anode und Kathode mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgen und Wärme und Wasser sowie elektrische Energie abführen.
Wasserstoffmoleküle gelangen durch die Kanäle in der Platte zur Anode, wo die Moleküle in einzelne Atome zerfallen (Abb. 6).
Abbildung 5 () Schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM). |
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Abbildung 6 () Wasserstoffmoleküle treten durch die Kanäle in der Platte in die Anode ein, wo die Moleküle in einzelne Atome zerlegt werden |
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Abbildung 7 () Durch Chemisorption in Gegenwart eines Katalysators werden Wasserstoffatome in Protonen umgewandelt |
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Abbildung 8 () Positiv geladene Wasserstoffionen diffundieren durch die Membran zur Kathode, und der Elektronenfluss wird durch einen externen Stromkreis, an den die Last angeschlossen ist, zur Kathode geleitet. |
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Abbildung 9 () Der Kathode zugeführter Sauerstoff geht in Gegenwart eines Katalysators eine chemische Reaktion mit Wasserstoffionen aus der Protonenaustauschmembran und Elektronen aus dem äußeren Stromkreis ein. Wasser entsteht durch eine chemische Reaktion |
Anschließend werden durch Chemisorption in Gegenwart eines Katalysators Wasserstoffatome, die jeweils ein Elektron e - abgeben, in positiv geladene Wasserstoffionen H + , also Protonen, umgewandelt (Abb. 7).
Positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) diffundieren durch die Membran zur Kathode, und der Elektronenfluss wird durch einen externen Stromkreis, an den die Last (Verbraucher elektrischer Energie) angeschlossen ist, zur Kathode geleitet (Abb. 8).
Der Kathode zugeführter Sauerstoff geht in Anwesenheit eines Katalysators eine chemische Reaktion mit Wasserstoffionen (Protonen) aus der Protonenaustauschmembran und Elektronen aus dem äußeren Stromkreis ein (Abb. 9). Als Ergebnis einer chemischen Reaktion entsteht Wasser.
Die chemische Reaktion in einer Brennstoffzelle anderer Art (beispielsweise mit einem sauren Elektrolyten, der eine Lösung von Phosphorsäure H 3 PO 4 ist) ist absolut identisch mit der chemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran.
In jeder Brennstoffzelle wird ein Teil der Energie einer chemischen Reaktion als Wärme freigesetzt.
Der Elektronenfluss in einem äußeren Stromkreis ist ein Gleichstrom, mit dem Arbeit verrichtet wird. Das Öffnen des externen Kreislaufs oder das Stoppen der Bewegung von Wasserstoffionen stoppt die chemische Reaktion.
Die Menge an elektrischer Energie, die eine Brennstoffzelle erzeugt, hängt von der Art der Brennstoffzelle, den geometrischen Abmessungen, der Temperatur und dem Gasdruck ab. Eine einzelne Brennstoffzelle liefert eine EMK von weniger als 1,16 V. Es ist möglich, die Größe der Brennstoffzellen zu erhöhen, aber in der Praxis werden mehrere Zellen verwendet, die in Batterien verbunden sind (Abb. 10).
Brennstoffzellengerät
Betrachten wir das Brennstoffzellengerät am Beispiel des Modells PC25 Model C. Das Schema der Brennstoffzelle ist in Abb. 1 dargestellt. elf.
Die Brennstoffzelle „PC25 Model C“ besteht aus drei Hauptteilen: dem Brennstoffprozessor, dem eigentlichen Stromerzeugungsteil und dem Spannungswandler.
Der Hauptteil der Brennstoffzelle – der Stromerzeugungsteil – ist ein Stapel, der aus 256 einzelnen Brennstoffzellen besteht. Die Zusammensetzung der Brennstoffzellenelektroden umfasst einen Platinkatalysator. Durch diese Zellen wird bei einer Spannung von 155 Volt ein elektrischer Gleichstrom von 1.400 Ampere erzeugt. Die Abmessungen der Batterie betragen ca. 2,9 m Länge und 0,9 m Breite und Höhe.
Da der elektrochemische Prozess bei einer Temperatur von 177 °C stattfindet, ist es notwendig, die Batterie zum Zeitpunkt des Starts zu erwärmen und ihr während des Betriebs Wärme zu entziehen. Dazu verfügt die Brennstoffzelle über einen separaten Wasserkreislauf und die Batterie ist mit speziellen Kühlplatten ausgestattet.
Mit dem Brennstoffprozessor können Sie Erdgas in Wasserstoff umwandeln, der für eine elektrochemische Reaktion erforderlich ist. Dieser Vorgang wird Reformieren genannt. Das Hauptelement des Brennstoffprozessors ist der Reformer. Im Reformer reagiert Erdgas (oder ein anderer wasserstoffhaltiger Brennstoff) mit Wasserdampf bei hoher Temperatur (900 °C) und hohem Druck in Gegenwart eines Nickelkatalysators. Folgende chemische Reaktionen finden statt:
CH 4 (Methan) + H 2 O 3 H 2 + CO
(Reaktion endotherm, mit Wärmeaufnahme);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(Die Reaktion ist exotherm, wobei Wärme freigesetzt wird).
Die Gesamtreaktion wird durch die Gleichung ausgedrückt:
CH 4 (Methan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(Reaktion endotherm, mit Wärmeaufnahme).
Um die für die Erdgasumwandlung erforderliche hohe Temperatur bereitzustellen, wird ein Teil des abgebrannten Brennstoffs aus dem Brennstoffzellenstapel zu einem Brenner geleitet, der den Reformer auf der erforderlichen Temperatur hält.
Der für die Reformierung benötigte Wasserdampf wird aus dem beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehenden Kondensat erzeugt. Dabei wird die dem Brennstoffzellenstack entzogene Wärme genutzt (Bild 12).
Der Brennstoffzellenstapel erzeugt einen intermittierenden Gleichstrom, der durch niedrige Spannung und hohen Strom gekennzeichnet ist. Ein Spannungswandler wird verwendet, um es in Industriestandard-Wechselstrom umzuwandeln. Darüber hinaus enthält die Spannungswandlereinheit verschiedene Steuergeräte und Sicherheitsverriegelungsschaltungen, die es ermöglichen, die Brennstoffzelle bei verschiedenen Fehlern abzuschalten.
In einer solchen Brennstoffzelle können etwa 40 % der Energie des Brennstoffs in elektrische Energie umgewandelt werden. In etwa die gleiche Menge, etwa 40 % der Energie des Kraftstoffs, kann umgewandelt werden Wärmeenergie, das dann als Wärmequelle für Heizung, Warmwasserbereitung und ähnliche Zwecke genutzt wird. Somit kann der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage 80 % erreichen.
Ein wichtiger Vorteil einer solchen Wärme- und Stromquelle ist die Möglichkeit ihres automatischen Betriebs. Für die Wartung müssen die Eigentümer der Anlage, auf der die Brennstoffzelle installiert ist, kein speziell geschultes Personal vorhalten - regelmäßige Wartung können von Mitarbeitern der Betriebsorganisation durchgeführt werden.
Brennstoffzellen-Typen
Derzeit sind mehrere Typen von Brennstoffzellen bekannt, die sich in der Zusammensetzung des verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Die folgenden vier Typen sind am weitesten verbreitet (Tabelle 2):
1. Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Brennstoffzellen auf Basis von Orthophosphorsäure (Phosphorsäure) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Brennstoffzellen auf Basis von geschmolzenem Karbonat (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Derzeit wird die größte Flotte von Brennstoffzellen auf Basis der PAFC-Technologie gebaut.
Eines der Hauptmerkmale verschiedene Typen Brennstoffzelle ist auf Betriebstemperatur. In vielerlei Hinsicht ist es die Temperatur, die den Einsatzbereich von Brennstoffzellen bestimmt. Beispielsweise sind hohe Temperaturen für Laptops kritisch, daher werden für dieses Marktsegment Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen mit niedrigen Betriebstemperaturen entwickelt.
Zur autarken Energieversorgung von Gebäuden werden Brennstoffzellen mit hoher installierter Leistung benötigt, wobei gleichzeitig die Nutzung thermischer Energie möglich ist, daher können für diese Zwecke auch Brennstoffzellen anderer Art eingesetzt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC)
Diese Brennstoffzellen arbeiten bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen (60–160°C). Sie zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte aus, ermöglichen eine schnelle Anpassung der Ausgangsleistung und lassen sich schnell einschalten. Der Nachteil dieser Art von Elementen sind die hohen Anforderungen an die Kraftstoffqualität, da verunreinigter Kraftstoff die Membran beschädigen kann. Die Nennleistung derartiger Brennstoffzellen beträgt 1-100 kW.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wurden ursprünglich von der General Electric Corporation in den 1960er Jahren für die NASA entwickelt. Diese Art von Brennstoffzelle verwendet einen Festkörper-Polymerelektrolyten, der als Proton Exchange Membrane (PEM) bezeichnet wird. Protonen können sich durch die Protonenaustauschmembran bewegen, aber Elektronen können sie nicht passieren, was zu einer Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode führt. Aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit wurden solche Brennstoffzellen als bemannte Energiequelle verwendet Raumschiff Zwillinge.
Diese Art von Brennstoffzelle wird als Energiequelle für eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte verwendet, darunter Prototypen und Prototypen, von Mobiltelefonen über Busse bis hin zu stationären Stromversorgungssystemen. Die niedrige Betriebstemperatur ermöglicht die Verwendung solcher Zellen zur Stromversorgung verschiedener Arten von Komplexen elektronische Geräte. Weniger effizient ist ihre Verwendung als Wärme- und Stromversorgungsquelle für öffentliche und industrielle Gebäude, wo große Mengen an thermischer Energie benötigt werden. Gleichzeitig sind solche Elemente vielversprechend als autonome Energiequelle für kleine Wohngebäude wie Cottages, die in Regionen mit heißem Klima gebaut werden.
| Tabelle 2 Brennstoffzellen-Typen |
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Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC)
Tests mit Brennstoffzellen dieses Typs wurden bereits in den frühen 1970er Jahren durchgeführt. Betriebstemperaturbereich - 150-200 °C. Das Haupteinsatzgebiet sind autonome Wärmequellen und Stromversorgungen mittlerer Leistung (ca. 200 kW).
Der in diesen Brennstoffzellen verwendete Elektrolyt ist eine Lösung aus Phosphorsäure. Die Elektroden bestehen aus mit Kohlenstoff beschichtetem Papier, in dem ein Platinkatalysator dispergiert ist.
Der elektrische Wirkungsgrad von PAFC-Brennstoffzellen beträgt 37-42 %. Da diese Brennstoffzellen jedoch bei einer ausreichend hohen Temperatur arbeiten, ist es möglich, den als Ergebnis des Betriebs erzeugten Dampf zu verwenden. In diesem Fall kann der Gesamtwirkungsgrad 80 % erreichen.
Zur Energiegewinnung muss der wasserstoffhaltige Einsatzstoff durch einen Reformierungsprozess in reinen Wasserstoff umgewandelt werden. Wird beispielsweise Benzin als Kraftstoff verwendet, müssen Schwefelverbindungen entfernt werden, da Schwefel den Platinkatalysator schädigen kann.
PAFC-Brennstoffzellen waren die ersten wirtschaftlich gerechtfertigten kommerziellen Brennstoffzellen. Das gebräuchlichste Modell war die 200-kW-PC25-Brennstoffzelle, die von der ONSI Corporation (jetzt United Technologies, Inc.) hergestellt wird (Abb. 13). Diese Elemente werden beispielsweise als Wärme- und Stromquelle in einer Polizeistation im New Yorker Central Park oder als zusätzliche Energiequelle für das Conde Nast Building & Four Times Square verwendet. Die größte Anlage dieser Art wird als 11-MW-Kraftwerk in Japan getestet.
Auch in Fahrzeugen werden Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure als Energiequelle eingesetzt. So statteten H-Power Corp., die Georgetown University und das US-Energieministerium 1994 einen Bus mit einem 50-kW-Kraftwerk aus.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC)
Brennstoffzellen dieses Typs arbeiten bei sehr hohen Temperaturen – 600–700 °C. Diese Betriebstemperaturen ermöglichen die Nutzung des Brennstoffs direkt in der Zelle selbst, ohne dass ein separater Reformer erforderlich ist. Dieser Vorgang wird als "internes Reforming" bezeichnet. Es erlaubt, das Design der Brennstoffzelle erheblich zu vereinfachen.
Auf geschmolzenem Karbonat basierende Brennstoffzellen benötigen eine erhebliche Anlaufzeit und erlauben keine schnelle Anpassung der Ausgangsleistung, sodass ihr Hauptanwendungsgebiet große stationäre Wärme- und Stromquellen sind. Sie zeichnen sich jedoch durch eine hohe Brennstoffumwandlungseffizienz aus – 60 % elektrischer Wirkungsgrad und bis zu 85 % Gesamtwirkungsgrad.
Bei diesem Brennstoffzellentyp besteht der Elektrolyt aus Kaliumcarbonat- und Lithiumcarbonatsalzen, die auf etwa 650 °C erhitzt werden. Unter diesen Bedingungen befinden sich die Salze in einem geschmolzenen Zustand und bilden einen Elektrolyten. An der Anode interagiert Wasserstoff mit CO 3 -Ionen, bildet Wasser, Kohlendioxid und setzt Elektronen frei, die an den externen Kreislauf gesendet werden, und an der Kathode interagiert Sauerstoff mit Kohlendioxid und Elektronen aus dem externen Kreislauf, wodurch wiederum CO 3 -Ionen gebildet werden.
Laborproben von Brennstoffzellen dieses Typs wurden Ende der 1950er Jahre von den niederländischen Wissenschaftlern G. H. J. Broers und J. A. A. Ketelaar erstellt. In den 1960er Jahren arbeitete der Ingenieur Francis T. Bacon, ein Nachkomme eines berühmten englischen Schriftstellers und Wissenschaftlers aus dem 17. Jahrhundert, mit diesen Elementen, weshalb MCFC-Brennstoffzellen manchmal als Bacon-Elemente bezeichnet werden. Die Apollo-, Apollo-Sojus- und Scylab-Programme der NASA verwendeten genau solche Brennstoffzellen als Energiequelle (Abb. 14). In denselben Jahren testete das US-Militärministerium mehrere Muster von MCFC-Brennstoffzellen, die von Texas Instruments hergestellt wurden und in denen Benzin in Armeequalität als Kraftstoff verwendet wurde. Mitte der 1970er Jahre begann das US-Energieministerium mit der Forschung zur Entwicklung einer praxistauglichen stationären Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle. In den 1990er Jahren wurden mehrere kommerzielle Einheiten mit einer Leistung von bis zu 250 kW in Betrieb genommen, beispielsweise auf der US Naval Air Station Miramar in Kalifornien. 1996 wurde FuelCell Energy, Inc. eingelaufen Probebetrieb 2 MW Vorserienanlage in Santa Clara, Kalifornien.
Festkörperoxid-Brennstoffzellen (SOFC)
Festkörperoxidbrennstoffzellen sind einfach aufgebaut und arbeiten bei sehr hohen Temperaturen – 700–1000 °C. Solche hohen Temperaturen ermöglichen die Verwendung von relativ "schmutzigem", nicht raffiniertem Kraftstoff. Gleiche Eigenschaften wie bei Brennstoffzellen auf Basis von Schmelzkarbonat bestimmen ein ähnliches Einsatzgebiet – große stationäre Wärme- und Stromquellen.
Festoxidbrennstoffzellen unterscheiden sich strukturell von Brennstoffzellen, die auf PAFC- und MCFC-Technologien basieren. Anode, Kathode und Elektrolyt bestehen aus speziellen Keramiksorten. Als Elektrolyt wird meistens eine Mischung aus Zirkoniumoxid und Calciumoxid verwendet, es können aber auch andere Oxide verwendet werden. Der Elektrolyt bildet ein beidseitig mit porösem Elektrodenmaterial beschichtetes Kristallgitter. Strukturell werden solche Elemente in Form von Rohren oder flachen Platten hergestellt, was es ermöglicht, Technologien zu verwenden, die in der Elektronikindustrie bei ihrer Herstellung weit verbreitet sind. Infolgedessen können Festkörperoxid-Brennstoffzellen bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, sodass sie sowohl zur Erzeugung elektrischer als auch thermischer Energie verwendet werden können.
Bei hohen Betriebstemperaturen bilden sich an der Kathode Sauerstoffionen, die durch das Kristallgitter zur Anode wandern, wo sie mit Wasserstoffionen in Wechselwirkung treten, Wasser bilden und freie Elektronen freisetzen. Dabei wird Wasserstoff direkt in der Zelle aus Erdgas freigesetzt, d. h. ein separater Reformer ist nicht erforderlich.
Die theoretischen Grundlagen für die Entwicklung von Festkörperoxid-Brennstoffzellen wurden Ende der 1930er Jahre gelegt, als die Schweizer Wissenschaftler Bauer (Emil Bauer) und Preis (H. Preis) mit Zirkonium, Yttrium, Cer, Lanthan und Wolfram experimentierten und sie verwendeten als Elektrolyte.
Die ersten Prototypen solcher Brennstoffzellen wurden Ende der 1950er Jahre von einer Reihe amerikanischer und niederländischer Unternehmen entwickelt. Die meisten dieser Unternehmen gaben die weitere Forschung aufgrund technologischer Schwierigkeiten bald auf, aber eines von ihnen, Westinghouse Electric Corp. (jetzt "Siemens Westinghouse Power Corporation"), Fortsetzung der Arbeit. Das Unternehmen nimmt derzeit Vorbestellungen für ein kommerzielles Modell einer Festoxid-Brennstoffzelle mit röhrenförmiger Topologie an, das in diesem Jahr erwartet wird (Abbildung 15). Das Marktsegment solcher Elemente sind stationäre Anlagen zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie mit einer Leistung von 250 kW bis 5 MW.
Brennstoffzellen vom SOFC-Typ haben eine sehr hohe Zuverlässigkeit gezeigt. Beispielsweise hat ein Brennstoffzellen-Prototyp von Siemens Westinghouse 16.600 Stunden protokolliert und läuft weiter, was ihn zur längsten ununterbrochenen Brennstoffzellen-Lebensdauer der Welt macht.
Der Hochtemperatur-Hochdruck-Betriebsmodus von SOFC-Brennstoffzellen ermöglicht die Schaffung von Hybridanlagen, in denen Brennstoffzellenemissionen Gasturbinen antreiben, die zur Stromerzeugung verwendet werden. Die erste derartige Hybridanlage ist in Irvine, Kalifornien, in Betrieb. Die Nennleistung dieser Anlage beträgt 220 kW, davon 200 kW aus der Brennstoffzelle und 20 kW aus dem Mikroturbinengenerator.
Die Vereinigten Staaten haben mehrere Initiativen ergriffen, um Wasserstoff-Brennstoffzellen, die Infrastruktur und Technologien zu entwickeln, um Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2020 praktisch und wirtschaftlich zu machen. Mehr als eine Milliarde Dollar wurden für diese Zwecke bereitgestellt.
Brennstoffzellen erzeugen Strom leise und effizient ohne Umweltverschmutzung Umfeld. Im Gegensatz zu fossilen Energiequellen sind die Nebenprodukte von Brennstoffzellen Wärme und Wasser. Wie es funktioniert?
In diesem Artikel werden wir kurz auf alle vorhandenen eingehen Kraftstofftechnologien heute sprechen nicht nur über die Konstruktion und den Betrieb von Brennstoffzellen, sondern vergleichen sie auch mit anderen Formen der Energieerzeugung. Wir werden auch einige der Hürden erörtern, mit denen Forscher konfrontiert sind, wenn es darum geht, Brennstoffzellen praktisch und für Verbraucher erschwinglich zu machen.
Brennstoffzellen sind Elektrochemische Energieumwandlungsgeräte. Brennstoffzelle wandelt um Chemikalien, Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser und erzeugt dabei Strom.
Ein weiteres elektrochemisches Gerät, mit dem wir alle sehr vertraut sind, ist die Batterie. Die Batterie enthält alle notwendigen chemischen Elemente und wandelt diese Substanzen in Strom um. Das bedeutet, dass der Akku irgendwann "stirbt" und Sie ihn entweder wegwerfen oder wieder aufladen.
In einer Brennstoffzelle werden ihr ständig Chemikalien zugeführt, damit sie niemals "stirbt". Solange die Chemikalien in die Zelle gelangen, wird Strom erzeugt. Die meisten heute verwendeten Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff und Sauerstoff.
Wasserstoff ist das häufigste Element in unserer Galaxie. Allerdings kommt Wasserstoff in seiner elementaren Form praktisch nicht auf der Erde vor. Ingenieure und Wissenschaftler müssen reinen Wasserstoff aus Wasserstoffverbindungen gewinnen, einschließlich fossiler Brennstoffe oder Wasser. Um aus diesen Verbindungen Wasserstoff zu gewinnen, muss Energie in Form von Wärme oder Strom aufgewendet werden.
Erfindung der Brennstoffzellen
Sir William Grove erfand 1839 die erste Brennstoffzelle. Grove wusste, dass Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden kann, indem elektrischer Strom hindurchgeleitet wird (ein Prozess, der als Elektrolyse). Er schlug vor, dass in umgekehrter Reihenfolge Strom und Wasser bezogen werden könnten. Er schuf eine primitive Brennstoffzelle und nannte sie galvanische Gasbatterie. Nachdem er mit seiner neuen Erfindung experimentiert hatte, bewies Grove seine Hypothese. Fünfzig Jahre später prägten die Wissenschaftler Ludwig Mond und Charles Langer den Begriff Brennstoffzellen beim Versuch, ein praktisches Modell für die Stromerzeugung zu bauen.
Die Brennstoffzelle wird mit vielen anderen Energieumwandlungsgeräten konkurrieren, darunter Gasturbinen in städtischen Kraftwerken, Verbrennungsmotoren in Autos und Batterien aller Art. Verbrennungsmotoren brennen wie Gasturbinen Verschiedene Arten Kraftstoff und nutzen den Druck, der durch die Ausdehnung von Gasen entsteht, um mechanische Arbeit zu verrichten. Batterien wandeln bei Bedarf chemische Energie in elektrische Energie um. Brennstoffzellen müssen diese Aufgaben effizienter erledigen.
Die Brennstoffzelle liefert Gleichspannung (Gleichstrom), die verwendet werden kann, um Elektromotoren, Beleuchtung und andere elektrische Geräte anzutreiben.
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die jeweils unterschiedliche chemische Prozesse verwenden. Brennstoffzellen werden üblicherweise nach ihrer Klasse eingeteilt Betriebstemperatur und TypElektrolyt, die sie benutzen. Einige Arten von Brennstoffzellen eignen sich gut für den Einsatz in stationären Kraftwerken. Andere können für kleine tragbare Geräte oder zum Antreiben von Autos nützlich sein. Zu den Haupttypen von Brennstoffzellen gehören:
Polymer-Austauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)
PEMFC gilt als wahrscheinlichster Kandidat für Transportanwendungen. PEMFC hat sowohl eine hohe Leistung als auch eine relativ niedrige Betriebstemperatur (im Bereich von 60 bis 80 Grad Celsius). Durch die niedrige Betriebstemperatur können sich die Brennstoffzellen schnell erwärmen, um mit der Stromerzeugung zu beginnen.
Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
Diese Brennstoffzellen eignen sich am besten für große stationäre Stromgeneratoren, die Fabriken oder Städte mit Strom versorgen könnten. Dieser Brennstoffzellentyp arbeitet bei sehr hohen Temperaturen (700 bis 1000 Grad Celsius). Die hohe Temperatur ist ein Zuverlässigkeitsproblem, da einige der Brennstoffzellen nach mehreren Ein- und Ausschaltzyklen ausfallen können. Festoxid-Brennstoffzellen sind jedoch im Dauerbetrieb sehr stabil. Tatsächlich haben SOFCs unter bestimmten Bedingungen die längste Betriebslebensdauer aller Brennstoffzellen gezeigt. Die hohe Temperatur hat auch den Vorteil, dass der von den Brennstoffzellen erzeugte Dampf zu Turbinen geleitet werden kann und mehr Strom erzeugt. Dieser Vorgang wird aufgerufen Kraft-Wärme-Kopplung und verbessert die Gesamtsystemeffizienz.
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Es ist eines der ältesten Brennstoffzellendesigns, das seit den 1960er Jahren verwendet wird. AFCs sind sehr anfällig für Verschmutzung, da sie reinen Wasserstoff und Sauerstoff benötigen. Außerdem sind sie sehr teuer, sodass diese Art von Brennstoffzelle wahrscheinlich nicht in die Massenproduktion gehen wird.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
Wie SOFCs eignen sich auch diese Brennstoffzellen am besten für große stationäre Kraftwerke und Generatoren. Sie arbeiten bei 600 Grad Celsius, um Dampf zu erzeugen, der wiederum zur Erzeugung von noch mehr Strom verwendet werden kann. Sie haben eine niedrigere Betriebstemperatur als Festoxid-Brennstoffzellen und benötigen daher keine derart hitzebeständigen Materialien. Dadurch sind sie etwas günstiger.
Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)
Phosphorsäure-Brennstoffzelle hat das Potenzial für den Einsatz in kleinen stationären Stromversorgungssystemen. Sie arbeitet bei einer höheren Temperatur als eine Polymer-Austauschmembran-Brennstoffzelle, sodass das Aufwärmen länger dauert, was sie für den Einsatz in Kraftfahrzeugen ungeeignet macht.
Methanol-Brennstoffzellen Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Methanol-Brennstoffzellen sind in Bezug auf die Betriebstemperatur mit PEMFC vergleichbar, aber nicht so effizient. Außerdem benötigen DMFCs ziemlich viel Platin als Katalysator, was diese Brennstoffzellen teuer macht.
Brennstoffzelle mit Polymeraustauschmembran
Die Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) ist eine der vielversprechendsten Brennstoffzellentechnologien. PEMFC verwendet eine der einfachsten Reaktionen aller Brennstoffzellen. Überlegen Sie, woraus es besteht.
1. ABER Knoten – Minuspol der Brennstoffzelle. Es leitet Elektronen, die von Wasserstoffmolekülen freigesetzt werden, wonach sie in einem externen Stromkreis verwendet werden können. Es ist mit Kanälen eingraviert, durch die Wasserstoffgas gleichmäßig über die Oberfläche des Katalysators verteilt wird.
2.Zu Atom - Der Pluspol der Brennstoffzelle hat auch Kanäle zur Verteilung von Sauerstoff über die Oberfläche des Katalysators. Es leitet auch Elektronen von der äußeren Kette des Katalysators zurück, wo sie sich mit Wasserstoff- und Sauerstoffionen zu Wasser verbinden können.
3.Elektrolyt-Protonenaustauschmembran. Es ist ein speziell behandeltes Material, das nur positiv geladene Ionen leitet und Elektronen blockiert. Bei PEMFC muss die Membran hydratisiert werden, um richtig zu funktionieren und stabil zu bleiben.
4. Katalysator ist ein spezielles Material, das die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff fördert. Es wird normalerweise aus Platin-Nanopartikeln hergestellt, die sehr dünn auf Kohlepapier oder Stoff aufgetragen werden. Der Katalysator hat eine solche Oberflächenstruktur, dass die maximale Oberfläche des Platins Wasserstoff oder Sauerstoff ausgesetzt werden kann.
Die Abbildung zeigt Wasserstoffgas (H2), das unter Druck von der Anodenseite in die Brennstoffzelle eintritt. Wenn ein H2-Molekül auf dem Katalysator mit Platin in Kontakt kommt, spaltet es sich in zwei H+-Ionen und zwei Elektronen auf. Die Elektronen passieren die Anode, wo sie in einem externen Stromkreis verwendet werden (durchführen nützliche Arbeit B. Motordrehung) und kehren zur Kathodenseite der Brennstoffzelle zurück.
Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle strömt Sauerstoff (O2) aus der Luft durch den Katalysator, wo er zwei Sauerstoffatome bildet. Jedes dieser Atome ist stark negativ geladen. Diese negative Ladung zieht zwei H+-Ionen durch die Membran, wo sie sich mit einem Sauerstoffatom und zwei Elektronen aus dem externen Schaltkreis verbinden, um ein Wassermolekül (H2O) zu bilden.
Diese Reaktion in einer einzelnen Brennstoffzelle erzeugt nur etwa 0,7 Volt. Um die Spannung auf ein sinnvolles Niveau anzuheben, müssen viele einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden. Bipolarplatten werden verwendet, um eine Brennstoffzelle mit einer anderen zu verbinden und mit abnehmendem Potential zu oxidieren. Das große Problem bei Bipolarplatten ist ihre Stabilität. Metallische Bipolarplatten können korrodieren und Nebenprodukte (Eisen- und Chromionen) reduzieren die Effizienz von Brennstoffzellenmembranen und -elektroden. Daher verwenden Niedertemperatur-Brennstoffzellen Leichtmetalle, Graphit und Verbundverbindungen aus Kohlenstoff und Duroplast (Duroplast ist eine Art Kunststoff, der auch bei hohen Temperaturen fest bleibt) in Form eines bipolaren Plattenmaterials.
Brennstoffzellen-Effizienz
Die Verringerung der Umweltverschmutzung ist eines der Hauptziele einer Brennstoffzelle. Wenn Sie ein Auto mit Brennstoffzellenantrieb mit einem Auto mit Benzinmotor und einem Auto mit Batterieantrieb vergleichen, können Sie sehen, wie Brennstoffzellen die Effizienz von Autos verbessern könnten.
Da alle drei Autotypen viele der gleichen Komponenten haben, werden wir diesen Teil des Autos ignorieren und vergleichen nützliche Aktionen bis zu dem Punkt, an dem mechanische Energie erzeugt wird. Beginnen wir mit dem Brennstoffzellenauto.
Wird eine Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff betrieben, kann ihr Wirkungsgrad bis zu 80 Prozent betragen. Damit wandelt es 80 Prozent des Energieinhalts von Wasserstoff in Strom um. Allerdings müssen wir noch elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Dies wird durch einen Elektromotor und einen Wechselrichter erreicht. Der Wirkungsgrad von Motor + Umrichter beträgt ebenfalls ca. 80 Prozent. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 80*80/100=64 Prozent. Hondas FCX-Konzeptfahrzeug hat angeblich eine Energieeffizienz von 60 Prozent.
Wenn die Brennstoffquelle nicht in Form von reinem Wasserstoff vorliegt, dann Fahrzeug wird auch einen Reformer brauchen. Reformer wandeln Kohlenwasserstoff- oder Alkoholbrennstoffe in Wasserstoff um. Sie erzeugen Wärme und produzieren neben Wasserstoff auch CO und CO2. Um den entstehenden Wasserstoff zu reinigen, verwenden sie verschiedene Geräte, aber diese Reinigung ist unzureichend und verringert die Effizienz der Brennstoffzelle. Daher entschieden sich die Forscher, trotz der Probleme bei der Herstellung und Speicherung von Wasserstoff, auf Brennstoffzellen für Fahrzeuge zu setzen, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden.
Effizienz eines Benzinmotors und eines Autos mit Elektrobatterien
Der Wirkungsgrad eines mit Benzin betriebenen Autos ist überraschend gering. Die gesamte Wärme, die in Form von Abgasen austritt oder vom Kühler absorbiert wird, ist verschwendete Energie. Der Motor verbraucht auch viel Energie, um die verschiedenen Pumpen, Lüfter und Generatoren anzutreiben, die ihn am Laufen halten. Somit beträgt der Gesamtwirkungsgrad eines Autobenzinmotors ungefähr 20 Prozent. So werden nur etwa 20 Prozent des thermischen Energieinhalts von Benzin in mechanische Arbeit umgewandelt.
Ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug hat einen ziemlich hohen Wirkungsgrad. Die Batterie hat einen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent (die meisten Batterien erzeugen etwas Wärme oder müssen beheizt werden), und der Motor + Wechselrichter hat einen Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 72 Prozent.
Aber das ist nicht alles. Damit sich ein Elektroauto fortbewegt, muss erst irgendwo Strom erzeugt werden. Wenn es sich um ein Kraftwerk handelte, das einen Verbrennungsprozess fossiler Brennstoffe nutzte (anstelle von Atom-, Wasserkraft-, Solar- oder Windkraft), dann wurden nur etwa 40 Prozent des vom Kraftwerk verbrauchten Brennstoffs in Strom umgewandelt. Außerdem erfordert das Aufladen eines Autos die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC). Dieser Prozess hat einen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent.
Betrachten wir nun den gesamten Kreislauf, beträgt der Wirkungsgrad eines Elektrofahrzeugs 72 Prozent für das Auto selbst, 40 Prozent für das Kraftwerk und 90 Prozent für das Aufladen des Autos. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von 26 Prozent. Je nachdem, mit welchem Kraftwerk die Batterie geladen wird, variiert der Gesamtwirkungsgrad erheblich. Wird der Strom für ein Auto beispielsweise von einem Wasserkraftwerk erzeugt, liegt der Wirkungsgrad eines Elektroautos bei etwa 65 Prozent.
Wissenschaftler erforschen und verfeinern Designs, um die Effizienz von Brennstoffzellen weiter zu verbessern. Einer der neuen Ansätze ist die Kombination von brennstoffzellen- und batteriebetriebenen Fahrzeugen. Ein Konzeptfahrzeug wird entwickelt, das von einem brennstoffzellenbetriebenen Hybridantriebsstrang angetrieben werden soll. Es verwendet eine Lithiumbatterie, um das Auto anzutreiben, während eine Brennstoffzelle die Batterie auflädt.
Brennstoffzellenfahrzeuge sind potenziell so effizient wie ein batteriebetriebenes Auto, das aus einem Kraftwerk ohne fossile Brennstoffe aufgeladen wird. Aber das Erreichen eines solchen Potenzials durch praktische und zugänglicher Weg kann sich als schwierig erweisen.
Warum Brennstoffzellen verwenden?
Der Hauptgrund ist alles, was mit Öl zu tun hat. Amerika muss fast 60 Prozent seines Öls importieren. Bis 2025 sollen die Importe auf 68 % steigen. Die Amerikaner verbrauchen täglich zwei Drittel des Öls für den Transport. Selbst wenn jedes Auto auf der Straße ein Hybridauto wäre, müssten die USA bis 2025 immer noch die gleiche Menge Öl verbrauchen, die die Amerikaner im Jahr 2000 verbrauchten. Tatsächlich verbraucht Amerika ein Viertel des weltweit geförderten Öls, obwohl hier nur 4,6 % der Weltbevölkerung leben.
Experten gehen davon aus, dass die Ölpreise in den nächsten Jahrzehnten weiter steigen werden, da billigere Quellen versiegen. Ölfirmen entwickeln soll Ölfelder unter immer schwierigeren Bedingungen, was zu steigenden Ölpreisen führte.
Ängste reichen weit darüber hinaus wirtschaftliche Sicherheit. Ein Großteil der Erlöse aus dem Ölverkauf wird für die Unterstützung des internationalen Terrorismus, radikaler politischer Parteien und der instabilen Lage in den Ölförderregionen ausgegeben.
Die Verwendung von Öl und anderen fossilen Brennstoffen zur Energieerzeugung verursacht Umweltverschmutzung. Es ist am besten für alle, eine Alternative zu finden - fossile Brennstoffe zur Energiegewinnung zu verbrennen.
Brennstoffzellen sind eine attraktive Alternative zur Ölabhängigkeit. Brennstoffzellen produzieren sauberes Wasser als Nebenprodukt statt Umweltverschmutzung. Während sich die Ingenieure zeitweilig auf die Herstellung von Wasserstoff aus verschiedenen fossilen Quellen wie Benzin oder Erdgas konzentriert haben, werden erneuerbare, umweltfreundliche Wege zur Herstellung von Wasserstoff in der Zukunft erforscht. Am vielversprechendsten ist natürlich der Prozess der Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser.
Ölabhängigkeit und globale Erwärmung sind ein internationales Problem. Mehrere Länder beteiligen sich gemeinsam an der Entwicklung von Forschung und Entwicklung für die Brennstoffzellentechnologie.
Es ist klar, dass Wissenschaftler und Hersteller noch viel zu tun haben, bevor Brennstoffzellen eine Alternative werden. moderne Methoden Energie Produktion. Und doch kann mit der Unterstützung der ganzen Welt und globaler Zusammenarbeit in ein paar Jahrzehnten ein tragfähiges Energiesystem auf der Basis von Brennstoffzellen Realität werden.
Brennstoffzelle ( Brennstoffzelle) ist ein Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie ähnelt im Prinzip einer herkömmlichen Batterie, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass ihr Betrieb eine ständige Zufuhr von Stoffen von außen erfordert, damit eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann. Den Brennstoffzellen werden Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt, als Output Strom, Wasser und Wärme. Zu ihren Vorteilen zählen Umweltfreundlichkeit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und einfache Bedienung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien können elektrochemische Wandler praktisch unbegrenzt betrieben werden, solange Brennstoff verfügbar ist. Sie müssen nicht stundenlang aufgeladen werden, bis sie vollständig aufgeladen sind. Darüber hinaus können die Zellen selbst die Batterie aufladen, während das Auto mit ausgeschaltetem Motor geparkt ist.
Protonenmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) werden am häufigsten in Wasserstofffahrzeugen verwendet.
Eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran arbeitet wie folgt. Zwischen Anode und Kathode befinden sich eine spezielle Membran und ein platinbeschichteter Katalysator. Wasserstoff tritt in die Anode ein und Sauerstoff tritt in die Kathode ein (z. B. aus Luft). An der Anode wird Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators in Protonen und Elektronen zerlegt. Wasserstoffprotonen passieren die Membran und treten in die Kathode ein, während Elektronen an den äußeren Kreislauf abgegeben werden (die Membran lässt sie nicht durch). Die so erhaltene Potentialdifferenz führt zum Auftreten eines elektrischen Stroms. Auf der Kathodenseite werden Wasserstoffprotonen durch Sauerstoff oxidiert. Dabei entsteht Wasserdampf, der Hauptbestandteil der Autoabgase. PEM-Zellen besitzen einen hohen Wirkungsgrad und haben einen wesentlichen Nachteil: Ihr Betrieb erfordert reinen Wasserstoff, dessen Speicherung ein ziemlich ernstes Problem darstellt.
Wenn ein solcher Katalysator gefunden wird, der teures Platin in diesen Zellen ersetzt, dann wird sofort eine billige Brennstoffzelle zur Stromerzeugung geschaffen, was bedeutet, dass die Welt die Abhängigkeit vom Öl loswerden wird.
Festoxidzellen
Festoxid-SOFC-Zellen stellen viel weniger Anforderungen an die Brennstoffreinheit. Darüber hinaus können solche Zellen dank der Verwendung eines POX-Reformers (Partial Oxidation - Teiloxidation) normales Benzin als Kraftstoff verbrauchen. Der Prozess der direkten Umwandlung von Benzin in Strom ist wie folgt. In einem speziellen Gerät - einem Reformer - verdampft Benzin bei einer Temperatur von etwa 800 ° C und zerfällt in seine Bestandteile.
Dabei werden Wasserstoff und Kohlendioxid freigesetzt. Weiterhin auch unter Temperatureinfluss und mit Hilfe von SOFC direkt (bestehend aus einem porösen keramisches Material auf Basis von Zirkonoxid) wird Wasserstoff durch Luftsauerstoff oxidiert. Nach der Gewinnung von Wasserstoff aus Benzin verläuft der Prozess nach dem oben beschriebenen Szenario weiter, mit nur einem Unterschied: Die SOFC-Brennstoffzelle ist im Gegensatz zu wasserstoffbetriebenen Geräten unempfindlicher gegenüber Fremdstoffen im ursprünglichen Kraftstoff. Die Qualität des Benzins sollte sich also nicht auf die Leistung der Brennstoffzelle auswirken.
Die hohe Betriebstemperatur von SOFC (650-800 Grad) ist ein wesentlicher Nachteil, der Aufwärmvorgang dauert etwa 20 Minuten. Überschüssige Wärme ist jedoch kein Problem, da sie vollständig durch die verbleibende Luft und die vom Reformer und der Brennstoffzelle selbst erzeugten Abgase entfernt wird. Dadurch kann das SOFC-System als eigenständiges Gerät in einem wärmeisolierten Gehäuse in das Fahrzeug integriert werden.
Durch den modularen Aufbau erreichen Sie die benötigte Spannung durch serielle Verbindung Satz von Standardzellen. Und was vielleicht am wichtigsten ist, im Hinblick auf die Einführung solcher Geräte gibt es in SOFC keine sehr teuren Elektroden auf Platinbasis. Die hohen Kosten dieser Elemente sind eines der Hindernisse bei der Entwicklung und Verbreitung der PEMFC-Technologie.
Arten von Brennstoffzellen
Derzeit gibt es solche Arten von Brennstoffzellen:
- A.F.C.– Alkalische Brennstoffzelle (alkalische Brennstoffzelle);
- PAFC– Phosphorsäure-Brennstoffzelle (Phosphorsäure-Brennstoffzelle);
- PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran);
- DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (Brennstoffzelle mit direkter Methanolzersetzung);
- MCFC– Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Brennstoffzelle aus geschmolzenem Karbonat);
- SOFC– Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-Brennstoffzelle).
Sir William Grove wusste viel über Elektrolyse, also stellte er die Hypothese auf, dass er durch den Prozess (der Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, indem er Elektrizität durchleitet) produzieren könnte, wenn er umgekehrt würde. Nachdem er auf Papier gerechnet hatte, ging er in die Experimentierphase und konnte seine Ideen beweisen. Die bewährte Hypothese wurde von den Wissenschaftlern Ludwig Mond und seinem Assistenten Charles Langre entwickelt, die Technologie verbessert und ihr 1889 einen Namen gegeben, der zwei Wörter enthielt - "Brennstoffzelle".
Mittlerweile hat sich dieser Satz im Alltag der Autofahrer fest etabliert. Den Begriff „Brennstoffzelle“ haben Sie bestimmt schon öfter gehört. In den Nachrichten im Internet, im Fernsehen blitzen immer mehr neumodische Wörter auf. Sie beziehen sich normalerweise auf Geschichten über die neuesten Hybridfahrzeuge oder Entwicklungsprogramme für diese Hybridfahrzeuge.
So wurde beispielsweise vor 11 Jahren in den USA das Programm „The Hydrogen Fuel Initiative“ ins Leben gerufen. Das Programm konzentrierte sich auf die Entwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellen- und Infrastrukturtechnologien, die erforderlich sind, um Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2020 praktisch und wirtschaftlich tragfähig zu machen. Übrigens wurden in dieser Zeit mehr als 1 Milliarde US-Dollar für das Programm bereitgestellt, was auf eine ernsthafte Wette hinweist, auf die die US-Behörden eingegangen sind.
Auf der anderen Seite des Ozeans waren die Autohersteller ebenfalls auf der Hut und begannen oder setzten ihre Forschung an Brennstoffzellenautos fort. , und arbeitete sogar weiter am Aufbau einer robusten Brennstoffzellentechnologie.
Der größte Erfolg auf diesem Gebiet unter allen globalen Autoherstellern wurde von zwei japanischen Autoherstellern erzielt. Ihre Brennstoffzellenmodelle sind bereits in voller Produktion, während ihre Konkurrenten ihnen dicht auf den Fersen sind.
Daher sind Brennstoffzellen in der Automobilindustrie hier, um zu bleiben. Betrachten Sie die Prinzipien der Technologie und ihre Anwendung in modernen Autos.
Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle
In der Tat, . Aus technischer Sicht kann eine Brennstoffzelle als elektrochemisches Gerät zur Energieumwandlung definiert werden. Es wandelt Wasserstoff- und Sauerstoffpartikel in Wasser um und erzeugt dabei Strom, Gleichstrom.
Es gibt viele Arten von Brennstoffzellen, manche sind bereits im Auto im Einsatz, andere werden in der Forschung erprobt. Die meisten von ihnen verwenden hauptsächlich Wasserstoff und Sauerstoff chemische Elemente für die Konvertierung benötigt.
Bei einer herkömmlichen Batterie läuft ein ähnlicher Vorgang ab, der einzige Unterschied besteht darin, dass sie bereits alle für die Umwandlung notwendigen Chemikalien „an Bord“ hat, während die Brennstoffzelle extern „aufgeladen“ werden kann, wodurch der Prozess der „ Stromerzeugung" weitergeführt werden. Neben Wasserdampf und Strom ist ein weiteres Nebenprodukt des Verfahrens die entstehende Wärme.
Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran enthält eine protonenleitende Polymermembran, die zwei Elektroden trennt, eine Anode und eine Kathode. Jede Elektrode ist normalerweise eine Kohlenstoffplatte (Matrix) mit einem abgeschiedenen Katalysator – Platin oder einer Legierung von Platinoiden und anderen Zusammensetzungen.
Am Anodenkatalysator dissoziiert molekularer Wasserstoff und gibt Elektronen ab. Wasserstoffkationen werden durch die Membran zur Kathode geleitet, aber Elektronen werden an den äußeren Kreislauf abgegeben, da die Membran keine Elektronen durchlässt.
Auf dem Kathodenkatalysator verbindet sich ein Sauerstoffmolekül mit einem Elektron (das von externen Verbindungen zugeführt wird) und einem ankommenden Proton und bildet Wasser, das das einzige Reaktionsprodukt (in Form von Dampf und/oder Flüssigkeit) ist.
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Anwendung im Auto
Von allen Arten von Brennstoffzellen haben sich Brennstoffzellen auf Basis von Protonenaustauschmembranen oder, wie sie im Westen genannt werden, Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), zum besten Kandidaten für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelt. Hauptgründe dafür sind die hohe Leistungsdichte und die relativ niedrige Betriebstemperatur, was wiederum dazu führt, dass die Brennstoffzellen schnell in Betrieb genommen werden können. Sie werden sich schnell aufwärmen und beginnen, die erforderliche Menge an Strom zu produzieren. Es verwendet auch eine der einfachsten Reaktionen aller Arten von Brennstoffzellen.
Das erste Fahrzeug mit dieser Technologie wurde bereits 1994 hergestellt, als Mercedes-Benz den MB100 auf Basis des NECAR1 (New Electric Car 1) vorstellte. Abgesehen von der geringen Leistung (nur 50 Kilowatt) war der größte Nachteil dieses Konzepts, dass die Brennstoffzelle das gesamte Volumen des Laderaums des Transporters einnahm.
Auch aus Sicht der passiven Sicherheit war es eine schreckliche Idee für die Massenproduktion, da ein massiver Tank mit brennbarem, unter Druck stehendem Wasserstoff an Bord installiert werden musste.
Im Laufe des nächsten Jahrzehnts entwickelte sich die Technologie und eines der neuesten Brennstoffzellenkonzepte von Mercedes hatte eine Leistung von 115 PS. (85 kW) und eine Reichweite von rund 400 Kilometern vor dem Tanken. Natürlich waren die Deutschen nicht die einzigen Pioniere bei der Entwicklung der Brennstoffzelle der Zukunft. Nicht zu vergessen die beiden Japaner Toyota und . Einer der größten Automobilhersteller war Honda, der ein Serienauto mit einführte Kraftwerk auf Wasserstoff-Brennstoffzellen. Im Sommer 2008 startete der Leasing-Verkauf des FCX Clarity in den USA, wenig später wanderte der Verkauf des Autos nach Japan. 
Toyota ist mit dem Mirai noch weiter gegangen, dessen fortschrittliches Wasserstoff-Brennstoffzellensystem dem futuristischen Auto offenbar eine Reichweite von 520 km mit einer einzigen Tankfüllung verleihen kann, die wie ein herkömmliches in weniger als fünf Minuten betankt werden kann. Die Verbrauchswerte werden jeden Skeptiker verblüffen, sie sind selbst für ein Auto mit klassischem Antrieb unglaublich, es verbraucht 3,5 Liter, egal ob das Auto in der Stadt, auf der Autobahn oder im Kombi-Fahrrad eingesetzt wird.
Acht Jahre sind vergangen. Honda hat diese Zeit gut genutzt. Die zweite Generation des Honda FCX Clarity ist jetzt im Handel erhältlich. Seine Brennstoffzellenstacks sind 33 % kompakter als das erste Modell, bei einer um 60 % höheren Leistungsdichte. Honda behauptet, dass die Brennstoffzelle und der integrierte Antriebsstrang im Clarity Fuel Cell in der Größe mit einem V6-Motor vergleichbar sind und genügend Innenraum für fünf Passagiere und ihr Gepäck lassen.
Die geschätzte Reichweite beträgt 500 km, und der Startpreis für neue Artikel sollte auf 60.000 US-Dollar festgelegt werden. Teuer? Im Gegenteil, es ist sehr billig. Anfang 2000 kosteten Autos mit diesen Technologien 100.000 US-Dollar.
