Einführung nachhaltiger Technologien: Brennstoffzellen. Brennstoffzellen

Vorteile von Brennstoffzellen/Zellen

Brennstoffzelle/ cell ist ein Gerät, das effizient Gleichstrom und Wärme aus einem wasserstoffreichen Brennstoff durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt.

Ähnlich wie eine Batterie erzeugt eine Brennstoffzelle durch eine chemische Reaktion Gleichstrom. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Anders als Batterien können Brennstoffzellen/Zellen jedoch nicht speichern elektrische Energie, entladen sich nicht und benötigen keinen Strom zum Aufladen. Brennstoffzellen/Zellen können kontinuierlich Strom erzeugen, solange sie mit Brennstoff und Luft versorgt werden.

Im Gegensatz zu anderen Stromgeneratoren wie Motoren Verbrennungs oder Turbinen, die mit Gas, Kohle, Öl usw. betrieben werden, Brennstoffzellen/Zellen verbrennen keinen Brennstoff. Das bedeutet keine lauten Hochdruckrotoren, keine lauten Abgasgeräusche, keine Vibrationen. Brennstoffzellen/Zellen erzeugen Strom durch eine stille elektrochemische Reaktion. Eine weitere Eigenschaft von Brennstoffzellen/Zellen ist, dass sie die chemische Energie des Brennstoffs direkt in Strom, Wärme und Wasser umwandeln.

Brennstoffzellen sind hocheffizient und produzieren keine großen Mengen an Treibhausgasen wie Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Die einzigen während des Betriebs emittierten Produkte sind Wasser in Form von Dampf und eine geringe Menge Kohlendioxid, das bei Verwendung von reinem Wasserstoff als Brennstoff überhaupt nicht emittiert wird. Brennstoffzellen/Zellen werden zu Baugruppen und dann zu einzelnen Funktionsmodulen zusammengesetzt.

Geschichte der Brennstoffzellen-/Zellentwicklung

In den 1950er und 1960er Jahren entstand eine der größten Herausforderungen für Brennstoffzellen aus dem Bedarf der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) an Energiequellen für Langzeit-Weltraummissionen. Die alkalische Brennstoffzelle/Zelle der NASA verwendet Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoff und kombiniert die beiden in einer elektrochemischen Reaktion. Der Output besteht aus drei Nebenprodukten der Reaktion, die für die Raumfahrt nützlich sind – Elektrizität zum Antrieb des Raumfahrzeugs, Wasser für Trink- und Kühlsysteme und Wärme, um die Astronauten warm zu halten.

Die Entdeckung der Brennstoffzelle geht auf den Beginn des 19. Jahrhunderts zurück. Der erste Beweis für die Wirkung von Brennstoffzellen wurde 1838 erhalten.

In den späten 1930er Jahren begann die Arbeit an alkalischen Brennstoffzellen, und bis 1939 war eine Zelle mit vernickelten Hochdruckelektroden gebaut worden. Während des Zweiten Weltkriegs wurden Brennstoffzellen/Zellen für U-Boote der britischen Marine entwickelt, und 1958 wurde ein Brennelement eingeführt, das aus alkalischen Brennstoffzellen/Zellen mit etwas mehr als 25 cm Durchmesser bestand.

Das Interesse stieg in den 1950er und 1960er Jahren und auch in den 1980er Jahren, als industrielle Welt erlebte einen Mangel an Erdölbrennstoff. Im gleichen Zeitraum machten sich auch die Länder der Welt Sorgen um das Problem der Luftverschmutzung und überlegten, wie sie umweltfreundlichen Strom erzeugen könnten. Gegenwärtig befindet sich die Brennstoffzellen/Zell-Technologie in einer rasanten Entwicklung.

Wie Brennstoffzellen/Zellen funktionieren

Brennstoffzellen/Zellen erzeugen Strom und Wärme durch eine fortlaufende elektrochemische Reaktion unter Verwendung eines Elektrolyten, einer Kathode und einer Anode.

Am Anodenkatalysator dissoziiert molekularer Wasserstoff und gibt Elektronen ab. Wasserstoffionen (Protonen) werden durch den Elektrolyten zur Kathode geleitet, während Elektronen durch den Elektrolyten und durch einen externen Stromkreis geleitet werden, wodurch ein Gleichstrom erzeugt wird, der zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden kann. 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.

Nachfolgend die entsprechende Reaktion:

Anodenreaktion: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Allgemeine Elementreaktion: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Typen und Vielfalt von Brennstoffzellen/Zellen

So wie es verschiedene Arten von Verbrennungsmotoren gibt, gibt es auch verschiedene Arten von Brennstoffzellen – die Wahl passende Art Brennstoffzelle hängt von ihrer Anwendung ab.

Brennstoffzellen werden in Hochtemperatur- und Niedertemperaturzellen unterteilt. Niedertemperatur-Brennstoffzellen benötigen relativ reinen Wasserstoff als Brennstoff. 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 Brennstoff bei erhöhten Temperaturen „intern umwandeln“ können, wodurch keine Investitionen in die Wasserstoffinfrastruktur erforderlich sind.

Brennstoffzellen/Zellen 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.

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 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Allgemeine Elementreaktion: H 2 (g) + 1/2O 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 Zwecke 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 Schäden an der Brennstoffzelle durch Kohlenmonoxid.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen eignen sich für den Einsatz in stationären Großanlagen. Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 3,0 MW werden industriell hergestellt. Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 110 MW werden entwickelt.

Brennstoffzellen/Zellen auf Basis von Phosphorsäure (PFC)

Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) waren die ersten Brennstoffzellen für den kommerziellen Einsatz.

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.

Ladungsträger in solchen Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H+, Proton). Ein ähnlicher Prozess findet in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen 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 2 H 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 500 kW werden industriell hergestellt. Anlagen für 11 MW haben die entsprechenden Tests bestanden. Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW werden entwickelt.

Festoxidbrennstoffzellen/-zellen (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.

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 - \u003d\u003e 2O 2-
Allgemeine Elementreaktion: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Der Wirkungsgrad der erzeugten elektrischen Energie ist der höchste aller Brennstoffzellen - etwa 60-70%. Hohe Betriebstemperaturen ermöglichen eine Kraft-Wärme-Kopplung zur Erzeugung von Hochdruckdampf. Durch die Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Turbine entsteht eine Hybrid-Brennstoffzelle, um den Wirkungsgrad der Stromerzeugung um bis zu 75 % zu steigern.

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/Zellen mit direkter Methanoloxidation (DOMTE)

Die Technologie der Verwendung von Brennstoffzellen mit direkter Oxidation von Methanol befindet sich in einer Phase aktiver Entwicklung. Es hat sich erfolgreich im Bereich der Stromversorgung von Mobiltelefonen, Laptops sowie zur Herstellung tragbarer Stromquellen etabliert. 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: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Allgemeine Elementreaktion: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

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/Zellen (AFC)

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 - => 4 OH -
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. SCFCs arbeiten bei relativ niedrigen Temperaturen 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 CH4, die für andere Brennstoffzellen sicher und für einige von ihnen sogar Brennstoff sind, für SFCs schädlich.

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen/-Zellen (PETE)

Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen eine Leitung von Wasserionen (H 2 O + (Proton, rot) an das Wassermolekül gebunden) stattfindet. 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.

Festsäurebrennstoffzellen/-zellen (SCFC)

In Festsäure-Brennstoffzellen enthält der Elektrolyt (CsHSO 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.

Verschiedene Brennstoffzellenmodule. Brennstoffzellen-Batterie

Brennstoffzellen-Batterie
Sonstige Hochtemperaturgeräte (integrierter Dampferzeuger, Brennkammer, Wärmebilanzwechsler)
Hitzebeständige Isolierung

Brennstoffzellenmodul

Vergleichende Analyse von Typen und Sorten von Brennstoffzellen

Innovative energiesparende kommunale Heizkraftwerke basieren typischerweise auf Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs), Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFCs), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PCFCs), Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (MPFCs) und alkalischen Brennstoffzellen ( APFCs). Sie haben in der Regel folgende Eigenschaften:

Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sollten als am besten geeignet anerkannt werden, die:

arbeiten bei einer höheren Temperatur, was den Bedarf an teuren Edelmetallen (wie Platin) reduziert
kann mit verschiedenen Arten von Kohlenwasserstoffbrennstoffen betrieben werden, hauptsächlich mit Erdgas
haben mehr Zeit beginnend und sind daher besser für die Dauer geeignet
demonstrieren einen hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung (bis zu 70 %)
Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen können die Geräte mit Wärmerückgewinnungssystemen kombiniert werden, wodurch der Gesamtsystemwirkungsgrad auf bis zu 85 % erhöht wird
haben nahezu keine Emissionen, arbeiten geräuschlos und haben im Vergleich zu bestehenden Stromerzeugungstechnologien niedrige Betriebsanforderungen

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	tragbar
SHTE	50–200 °C	40-70%	Reiner Wasserstoff	Weltraumforschung
PETE	30-100°C	35-50%	Reiner Wasserstoff	Kleine Installationen

Da kleine thermische Kraftwerke an ein herkömmliches Gasversorgungsnetz angeschlossen werden können, benötigen Brennstoffzellen kein separates Wasserstoffversorgungssystem. Beim Einsatz von kleinen Blockheizkraftwerken auf Basis von Festoxidbrennstoffzellen kann die erzeugte Wärme in Wärmetauscher zur Erwärmung von Wasser und Lüftungsluft integriert werden, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht. Dies innovative Technologie am besten geeignet für eine effiziente Stromerzeugung ohne die Notwendigkeit einer teuren Infrastruktur und einer komplexen Instrumentenintegration.

Brennstoffzellen-/Zellanwendungen

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Telekommunikationssystemen

Mit der schnellen Verbreitung drahtloser Kommunikationssysteme auf der ganzen Welt sowie den wachsenden sozialen und wirtschaftlichen Vorteilen der Mobiltelefontechnologie ist der Bedarf an zuverlässiger und kostengünstiger Notstromversorgung kritisch geworden. Ganzjährige Netzausfälle durch schlechtes Wetter, Naturkatastrophen oder begrenzte Netzkapazitäten sind eine ständige Herausforderung für Netzbetreiber.

Herkömmliche Notstromlösungen für die Telekommunikation umfassen Batterien (ventilgeregelte Blei-Säure-Batteriezellen) für kurzzeitige Notstromversorgung und Diesel- und Propangasgeneratoren für längere Notstromversorgung. Batterien sind eine relativ billige Notstromquelle für 1 bis 2 Stunden. Für längere Pufferzeiten sind Batterien jedoch nicht geeignet, da sie wartungsintensiv sind, nach längerem Gebrauch unzuverlässig werden, temperaturempfindlich und lebensgefährlich sind. Umfeld nach Entsorgung. Diesel- und Propangeneratoren können eine kontinuierliche Notstromversorgung bereitstellen. Generatoren können jedoch unzuverlässig sein, umfangreiche Wartung erfordern und große Mengen an Schadstoffen und Treibhausgasen in die Atmosphäre freisetzen.

Um die Einschränkungen traditioneller Notstromlösungen zu beseitigen, wurde eine innovative grüne Brennstoffzellentechnologie entwickelt. Brennstoffzellen sind zuverlässig, leise, enthalten weniger bewegliche Teile als ein Generator, haben einen größeren Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +50 °C als eine Batterie und bieten daher extrem hohe Energieeinsparungen. Außerdem sind die Lebenszeitkosten einer solchen Anlage niedriger als die eines Generators. Niedrigere Brennstoffzellenkosten sind das Ergebnis von nur einem Wartungsbesuch pro Jahr und einer deutlich höheren Anlagenproduktivität. Schließlich ist die Brennstoffzelle ein umweltfreundliches technologische Lösung mit minimaler Auswirkung auf die Umwelt.

Brennstoffzelleneinheiten versorgen kritische Kommufür drahtlose, permanente und drahtlose Notstromversorgung Breitband im Telekommunikationssystem, von 250W bis 15kW, bieten sie viele unübertroffene innovative Eigenschaften:

VERLÄSSLICHKEIT– Wenige bewegliche Teile und keine Standby-Entladung
ENERGIE SPAREN
SCHWEIGEN– niedriger Geräuschpegel
STABILITÄT– Betriebsbereich von -40°C bis +50°C
ANPASSUNGSFÄHIGKEIT– Außen- und Innenaufstellung (Container/Schutzcontainer)
HOHE ENERGIE– bis 15 kW
GERINGER WARTUNGSBEDARF– jährliche Mindestwartung
WIRTSCHAFT- Attraktive Gesamtbetriebskosten
SAUBERE ENERGIE– geringe Emissionen bei minimaler Umweltbelastung

Das System erfasst die DC-Busspannung ständig und akzeptiert problemlos kritische Lasten, wenn die DC-Busspannung unter einen benutzerdefinierten Sollwert fällt. Das System wird mit Wasserstoff betrieben, der auf zwei Arten in den Brennstoffzellenstapel eintritt – entweder aus einer kommerziellen Wasserstoffquelle oder aus einem flüssigen Brennstoff aus Methanol und Wasser unter Verwendung eines bordeigenen Reformersystems.

Strom wird vom Brennstoffzellenstapel in Form von Gleichstrom erzeugt. Die DC-Leistung wird an einen Konverter gesendet, der die ungeregelte DC-Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel in hochwertige, geregelte DC-Leistung für die erforderlichen Lasten umwandelt. Eine Brennstoffzellenanlage kann für viele Tage Notstrom liefern, da die Dauer nur durch die vorrätige Menge an Wasserstoff oder Methanol/Wasserkraftstoff begrenzt ist.

Brennstoffzellen bieten eine überlegene Energieeffizienz, erhöhte Systemzuverlässigkeit, besser vorhersagbare Leistung in einer Vielzahl von Klimazonen und eine zuverlässige Lebensdauer im Vergleich zu ventilregulierten Blei-Säure-Batteriepacks nach Industriestandard. Auch die Lebenszykluskosten sind aufgrund des deutlich geringeren Wartungs- und Austauschbedarfs geringer. Brennstoffzellen bieten dem Endverbraucher Umweltvorteile, da Entsorgungskosten und Haftungsrisiken im Zusammenhang mit Blei-Säure-Zellen ein wachsendes Problem darstellen.

Die Leistung elektrischer Batterien kann durch eine Vielzahl von Faktoren wie Ladezustand, Temperatur, Zyklen, Lebensdauer und andere Variablen beeinträchtigt werden. Die bereitgestellte Energie hängt von diesen Faktoren ab und ist nicht leicht vorherzusagen. Die Leistung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) wird von diesen Faktoren relativ unbeeinflusst und kann kritische Leistung liefern, solange Brennstoff verfügbar ist. Erhöhte Vorhersagbarkeit ist ein wichtiger Vorteil bei der Umstellung auf Brennstoffzellen für unternehmenskritische Notstromanwendungen.

Brennstoffzellen erzeugen nur dann Energie, wenn Brennstoff zugeführt wird, wie ein Gasturbinengenerator, haben aber keine beweglichen Teile in der Erzeugungszone. Daher unterliegen sie im Gegensatz zu einem Generator keinem schnellen Verschleiß und müssen nicht ständig gewartet und geschmiert werden.

Der zum Antrieb des Extended Duration Fuel Converter verwendete Kraftstoff ist eine Mischung aus Methanol und Wasser. Methanol ist ein weit verbreiteter, kommerziell hergestellter Kraftstoff, der derzeit viele Anwendungen hat, einschließlich Scheibenwaschanlagen, Plastikflaschen, Motoradditive, Dispersionsfarben. Methanol ist leicht zu transportieren, mit Wasser mischbar, gut biologisch abbaubar und schwefelfrei. Es hat einen niedrigen Gefrierpunkt (-71°C) und zersetzt sich bei längerer Lagerung nicht.

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Kommunikationsnetzen

Sicherheitsnetzwerke erfordern zuverlässige Notstromlösungen, die im Notfall Stunden oder Tage dauern können, wenn das Stromnetz nicht verfügbar ist.

Mit wenigen beweglichen Teilen und ohne Standby-Leistungsreduzierung bietet die innovative Brennstoffzellentechnologie eine attraktive Lösung im Vergleich zu derzeit verfügbaren Notstromsystemen.

Der überzeugendste Grund für den Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in Kommunikationsnetzen ist die erhöhte Gesamtzuverlässigkeit und -sicherheit. Bei Ereignissen wie Stromausfällen, Erdbeben, Stürmen und Wirbelstürmen ist es wichtig, dass die Systeme unabhängig von der Temperatur oder dem Alter des Notstromsystems über einen längeren Zeitraum weiter funktionieren und über eine zuverlässige Notstromversorgung verfügen.

Das Angebot an Brennstoffzellen-Stromversorgungen ist ideal für die Unterstützung sicherer Kommunikationsnetzwerke. Dank ihrer energiesparenden Konstruktionsprinzipien bieten sie eine umweltfreundliche, zuverlässige Notstromversorgung mit langer Lebensdauer (bis zu mehreren Tagen) für den Einsatz im Leistungsbereich von 250 W bis 15 kW.

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Datennetzen

Die zuverlässige Stromversorgung von Datennetzen wie Highspeed-Datennetzen und Glasfaser-Backbones ist weltweit von zentraler Bedeutung. Informationen, die über solche Netzwerke übertragen werden, enthalten kritische Daten für Institutionen wie Banken, Fluggesellschaften oder medizinische Zentren. Stromausfall in solchen Netzen birgt nicht nur eine Gefahr für übermittelte Informationen, sondern führt in der Regel auch zu erheblichen finanziellen Einbußen. Zuverlässige, innovative Brennstoffzelleninstallationen, die Standby-Strom bereitstellen, bieten die Zuverlässigkeit, die Sie für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung benötigen.

Brennstoffzelleneinheiten, die mit einem flüssigen Brennstoffgemisch aus Methanol und Wasser betrieben werden, bieten eine zuverlässige Notstromversorgung mit verlängerter Dauer von bis zu mehreren Tagen. Darüber hinaus weisen diese Einheiten im Vergleich zu Generatoren und Batterien einen deutlich geringeren Wartungsbedarf auf, da nur ein Wartungsbesuch pro Jahr erforderlich ist.

Typische Anwendungsmerkmale für den Einsatz von Brennstoffzellenanlagen in Datennetzen:

Anwendungen mit Leistungsaufnahmen von 100 W bis 15 kW
Bewerbungen mit Voraussetzungen für Lebensdauer der Batterie> 4 Stunden
Repeater in Glasfasersystemen (Hierarchie synchroner digitaler Systeme, Highspeed-Internet, Voice over IP…)
Netzwerkknoten der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung
WiMAX-Übertragungsknoten

Brennstoffzellen-Standby-Installationen bieten gegenüber herkömmlichen Batterie- oder Dieselgeneratoren zahlreiche Vorteile für kritische Datennetzinfrastrukturen und ermöglichen eine höhere Auslastung vor Ort:

Die Flüssigbrennstofftechnologie löst das Problem der Wasserstoffspeicherung und bietet praktisch unbegrenzte Notstromversorgung.
Aufgrund ihres leisen Betriebs, ihres geringen Gewichts, ihrer Temperaturbeständigkeit und ihres nahezu vibrationsfreien Betriebs können Brennstoffzellen im Freien, in Industriegebäuden/Containern oder auf Dächern installiert werden.
Die Vorbereitungen für den Einsatz des Systems vor Ort sind schnell und kostengünstig, und die Betriebskosten sind niedrig.
Der Kraftstoff ist biologisch abbaubar und stellt eine umweltfreundliche Lösung für die städtische Umwelt dar.

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Sicherheitssystemen

Die sorgfältigsten Gebäudesicherheits- und Kommunikationssysteme sind nur so zuverlässig wie die Leistung, die sie antreibt. Während die meisten Systeme irgendeine Art von unterbrechungsfreiem Stromversorgungssystem für kurzzeitige Stromausfälle enthalten, sind sie nicht für längere Stromausfälle vorgesehen, die nach Naturkatastrophen oder Terroranschlägen auftreten können. Dies könnte ein kritisches Problem für viele Unternehmen und Regierungsbehörden sein.

Lebenswichtige Systeme wie CCTV-Überwachungs- und Zugangskontrollsysteme (Ausweisleser, Türschließvorrichtungen, biometrische Identifikationstechnologie usw.), automatische Brandmelde- und Feuerlöschsysteme, Aufzugssteuerungssysteme und Telekommunikationsnetze sind gefährdet, wenn a zuverlässige alternative Quelle für kontinuierliche Stromversorgung.

Dieselgeneratoren sind laut, schwer zu lokalisieren und für ihre Zuverlässigkeit bekannt Wartung. Im Gegensatz dazu ist eine Brennstoffzellen-Backup-Installation leise, zuverlässig, emissionsfrei oder sehr emissionsarm und einfach auf einem Dach oder außerhalb eines Gebäudes zu installieren. Es entlädt sich nicht und verliert im Standby-Modus keine Leistung. Sie stellt den Weiterbetrieb kritischer Systeme sicher, auch wenn die Institution den Betrieb einstellt und das Gebäude von Menschen verlassen wird.

Innovative Brennstoffzelleninstallationen schützen teure Investitionen in kritischen Anwendungen. Sie bieten umweltfreundlichen, zuverlässigen Notstrom mit langer Laufzeit (bis zu vielen Tagen) für den Einsatz im Leistungsbereich von 250 W bis 15 kW, kombiniert mit zahlreichen unübertroffenen Features und vor allem einer hohen Energieeinsparung.

Brennstoffzellen-Notstromaggregate bieten gegenüber herkömmlichen Batterie- oder Dieselgeneratoren zahlreiche Vorteile für unternehmenskritische Anwendungen wie Sicherheits- und Gebäudemanagementsysteme. Die Flüssigbrennstofftechnologie löst das Problem der Wasserstoffspeicherung und bietet praktisch unbegrenzte Notstromversorgung.

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in der häuslichen Heizungs- und Stromerzeugung

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) werden verwendet, um zuverlässige, energieeffiziente und emissionsfreie Wärmekraftwerke zu bauen, um Strom und Wärme aus weit verbreitetem Erdgas und erneuerbaren Brennstoffquellen zu erzeugen. Diese innovativen Einheiten werden in einer Vielzahl von Märkten eingesetzt, von der häuslichen Stromerzeugung über die Stromversorgung abgelegener Gebiete bis hin zu Hilfsstromquellen.

Einsatz von Brennstoffzellen/Zellen in Verteilnetzen

Kleine Wärmekraftwerke sind für den Betrieb in einem verteilten Stromerzeugungsnetz ausgelegt, das aus einer großen Anzahl kleiner Generatorsätze anstelle eines zentralen Kraftwerks besteht.

Die folgende Abbildung zeigt den Verlust an Stromerzeugungseffizienz, wenn er in einem KWK-Kraftwerk erzeugt und über herkömmliche Übertragungsnetze, die in verwendet werden, an die Haushalte übertragen wird dieser Moment. Effizienzverluste bei der Fernwärmeerzeugung umfassen Verluste aus dem Kraftwerk, Nieder- und Hochspannungsübertragung und Verteilungsverluste.

Die Abbildung zeigt die Ergebnisse der Integration von kleinen thermischen Kraftwerken: Am Ort der Nutzung wird Strom mit einem Erzeugungswirkungsgrad von bis zu 60 % erzeugt. Darüber hinaus kann der Haushalt die von den Brennstoffzellen erzeugte Wärme zur Wasser- und Raumheizung nutzen, was die Gesamteffizienz der Brennstoffenergieverarbeitung erhöht und die Energieeinsparungen verbessert.

Einsatz von Brennstoffzellen zum Schutz der Umwelt - Nutzung von Erdölbegleitgas

Eine der wichtigsten Aufgaben in der Erdölindustrie ist die Verwertung von Erdölbegleitgas. Die bestehenden Verfahren zur Nutzung von Erdölbegleitgas haben viele Nachteile, der Hauptnachteil besteht darin, dass sie nicht wirtschaftlich sind. Erdölbegleitgas wird abgefackelt, was der Umwelt und der menschlichen Gesundheit großen Schaden zufügt.

Innovative Brennstoffzellen-Heizkraftwerke mit Erdölbegleitgas als Brennstoff eröffnen den Weg zu einer radikalen und kostengünstigen Lösung der Probleme der Erdölbegleitgasnutzung.

Einer der Hauptvorteile von Brennstoffzellenanlagen besteht darin, dass sie zuverlässig und nachhaltig mit angeschlossenen Batterien betrieben werden können Erdölgas variable Zusammensetzung. Aufgrund der flammenlosen chemischen Reaktion, die dem Betrieb einer Brennstoffzelle zugrunde liegt, bewirkt eine Verringerung des Anteils von beispielsweise Methan nur eine entsprechende Verringerung der Leistungsabgabe.
Flexibilität in Bezug auf die elektrische Belastung von Verbrauchern, Differential, Laststoß.
Für die Installation und den Anschluss von Wärmekraftwerken an Brennstoffzellen erfordert ihre Implementierung keine Investitionen, da Die Einheiten lassen sich leicht an unvorbereiteten Stellen in der Nähe von Feldern montieren, sind einfach zu bedienen, zuverlässig und effizient.
Hohe Automatisierung und moderne Fernsteuerung erfordern keine ständige Anwesenheit von Personal an der Anlage.
Einfachheit und technische Perfektion des Designs: Das Fehlen von beweglichen Teilen, Reibung und Schmiersystemen bietet erhebliche wirtschaftliche Vorteile beim Betrieb von Brennstoffzellenanlagen.
Wasserverbrauch: Keiner bei Umgebungstemperaturen bis +30 °C und vernachlässigbar bei höheren Temperaturen.
Wasserablauf: keiner.
Außerdem machen Brennstoffzellen-Heizkraftwerke keine Geräusche, vibrieren nicht, keine schädlichen Emissionen in die Atmosphäre abgeben

Sie werden von Raumfahrzeugen der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) betrieben. Sie versorgen die Computer der First National Bank in Omaha mit Strom. Sie werden in einigen öffentlichen Stadtbussen in Chicago verwendet.

Das sind alles Brennstoffzellen. Brennstoffzellen sind elektrochemische Geräte, die ohne Verbrennungsprozess Strom erzeugen – auf chemischem Weg, ähnlich wie Batterien. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sie andere Chemikalien verwenden, Wasserstoff und Sauerstoff, und das Produkt der chemischen Reaktion Wasser ist. Natürlich kann auch Erdgas verwendet werden, aber natürlich ist ein gewisser Kohlendioxidausstoß bei der Verwendung von Kohlenwasserstoffkraftstoffen unvermeidbar.

Da Brennstoffzellen mit hoher Effizienz und ohne schädliche Emissionen betrieben werden können, sind sie als nachhaltige Energiequelle vielversprechend, die dazu beitragen wird, die Emissionen von Treibhausgasen und anderen Schadstoffen zu reduzieren. Das Haupthindernis für einen breiten Einsatz von Brennstoffzellen sind ihre hohen Kosten im Vergleich zu anderen Geräten, die Strom erzeugen oder Fahrzeuge antreiben.

Die Entwicklungsgeschichte

Die ersten Brennstoffzellen wurden 1839 von Sir William Groves demonstriert. Groves zeigte, dass der Prozess der Elektrolyse – die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff unter Einwirkung von elektrischem Strom – reversibel ist. Das heißt, Wasserstoff und Sauerstoff können chemisch kombiniert werden, um Elektrizität zu bilden.

Nachdem dies demonstriert worden war, beschäftigten sich viele Wissenschaftler fleißig mit Brennstoffzellen, aber die Erfindung des Verbrennungsmotors und die Entwicklung der Infrastruktur zur Förderung von Ölreserven in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts ließen die Entwicklung von Brennstoffzellen weit hinter sich. Noch mehr schränkten die Entwicklung von Brennstoffzellen ihre hohen Kosten ein.

Der Schub in der Entwicklung von Brennstoffzellen kam in den 1950er Jahren, als sich die NASA im Zusammenhang mit der Notwendigkeit eines kompakten elektrischen Generators für Weltraumflüge an sie wandte. Entsprechende Mittel wurden investiert und in der Folge Apollo- und Gemini-Flüge mit Brennstoffzellen durchgeführt. Auch Raumfahrzeuge werden mit Brennstoffzellen betrieben.

Brennstoffzellen sind immer noch weit verbreitet experimentelle Technologie, aber bereits mehrere Unternehmen verkaufen sie auf dem kommerziellen Markt. Allein in den letzten fast zehn Jahren wurden bedeutende Fortschritte in der kommerziellen Brennstoffzellentechnologie erzielt.

Wie eine Brennstoffzelle funktioniert

Brennstoffzellen sind wie Batterien – sie erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion. Im Gegensatz dazu verbrennen Verbrennungsmotoren Kraftstoff und erzeugen so Wärme, die dann in mechanische Energie umgewandelt wird. Sofern die Wärme der Abgase nicht in irgendeiner Weise genutzt wird (z. B. für Heizung oder Klimaanlage), kann man sagen, dass der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors eher gering ist. Beispielsweise wird erwartet, dass die Effizienz von Brennstoffzellen beim Einsatz in einem Fahrzeug - ein Projekt, das sich derzeit in der Entwicklung befindet - mehr als doppelt so hoch sein wird wie die Effizienz heutiger typischer Benzinmotoren, die in Autos verwendet werden.

Obwohl sowohl Batterien als auch Brennstoffzellen auf chemischem Wege Strom erzeugen, erfüllen sie zwei sehr unterschiedliche Funktionen. Batterien sind gespeicherte Energiegeräte: Die von ihnen erzeugte Elektrizität ist das Ergebnis einer chemischen Reaktion von Materie, die sich bereits in ihnen befindet. Brennstoffzellen speichern keine Energie, sondern wandeln einen Teil der Energie eines extern zugeführten Brennstoffs in Strom um. Insofern gleicht eine Brennstoffzelle eher einem konventionellen Kraftwerk.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Die einfachste Brennstoffzelle besteht aus einer speziellen Membran, dem Elektrolyten. Pulverförmige Elektroden werden auf beiden Seiten der Membran abgeschieden. Dieses Design - ein von zwei Elektroden umgebener Elektrolyt - ist ein separates Element. Auf der einen Seite (Anode) strömt Wasserstoff und auf der anderen (Kathode) Sauerstoff (Luft). Jede Elektrode hat eine andere chemische Reaktion.

An der Anode zerfällt Wasserstoff in ein Gemisch aus Protonen und Elektronen. Bei manchen Brennstoffzellen sind die Elektroden von einem Katalysator umgeben, meist aus Platin oder anderen Edelmetallen, der die Dissoziationsreaktion fördert:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = zweiatomiges Wasserstoffmolekül, Form, in

in denen Wasserstoff als Gas vorliegt;

H+ = ionisierter Wasserstoff, d.h. Proton;

e- = Elektron.

Der Betrieb einer Brennstoffzelle basiert darauf, dass der Elektrolyt Protonen durch sich selbst (in Richtung Kathode) leitet, Elektronen jedoch nicht. Die Elektronen bewegen sich entlang des äußeren Leiterkreises zur Kathode. Diese Bewegung von Elektronen ist ein elektrischer Strom, der verwendet werden kann, um ein externes Gerät anzutreiben, das mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wie beispielsweise ein Elektromotor oder eine Glühbirne. Dieses Gerät wird allgemein als "Last" bezeichnet.

Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle „rekombinieren“ Protonen (die den Elektrolyten passiert haben) und Elektronen (die die externe Last passiert haben) und reagieren mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff zu Wasser, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Die Gesamtreaktion in der Brennstoffzelle wird geschrieben als:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Brennstoffzellen nutzen bei ihrer Arbeit Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff aus der Luft. Wasserstoff kann direkt zugeführt oder von einer externen Brennstoffquelle wie Erdgas, Benzin oder Methanol getrennt werden. Im Falle einer externen Quelle muss es chemisch umgewandelt werden, um den Wasserstoff zu extrahieren. Dieser Vorgang wird „Reformieren“ genannt. Wasserstoff kann auch aus Ammoniak, alternativen Ressourcen wie Gas aus städtischen Deponien und aus Gasaufbereitungsanlagen gewonnen werden. Abwasser, sowie durch Elektrolyse von Wasser, bei der Wasser mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Derzeit verwenden die meisten im Transportwesen eingesetzten Brennstoffzellentechnologien Methanol.

Es wurden verschiedene Mittel entwickelt, um Brennstoff zu reformieren, um Wasserstoff für Brennstoffzellen zu erzeugen. Das US-Energieministerium hat eine Brennstoffanlage in einem Benzinreformer entwickelt, um eine in sich geschlossene Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen. Forscher des Pacific Northwest National Laboratory in den USA haben einen kompakten Kraftstoffreformer demonstriert, der nur ein Zehntel der Größe eines Power Packs hat. Der US-Versorger Northwest Power Systems und das Sandia National Laboratory haben einen Kraftstoffreformer demonstriert, der Dieselkraftstoff in Wasserstoff für Brennstoffzellen umwandelt.

Einzeln erzeugen Brennstoffzellen jeweils etwa 0,7–1,0 Volt. Um die Spannung zu erhöhen, werden die Elemente zu einer "Kaskade" zusammengesetzt, d.h. serielle Verbindung. Um mehr Strom zu erzeugen, werden Sätze von Kaskadenelementen parallel geschaltet. Kombiniert man Brennstoffzellenkaskaden mit einer Brennstoffanlage, einem Luftversorgungs- und Kühlsystem sowie einem Steuerungssystem, erhält man einen Brennstoffzellenmotor. Dieser Motor kann fahren Fahrzeug, ein stationäres Kraftwerk oder ein tragbarer elektrischer Generator6. Brennstoffzellenmotoren sind je nach Anwendung, Brennstoffzellentyp und verwendetem Kraftstoff in verschiedenen Größen erhältlich. Beispielsweise hat jedes der vier separaten stationären 200-kW-Kraftwerke, die in der Bank in Omaha installiert sind, ungefähr die Größe eines LKW-Anhängers.

Anwendungen

Brennstoffzellen können sowohl in stationären als auch in mobilen Geräten eingesetzt werden. Als Reaktion auf die Verschärfung der US-Emissionsvorschriften haben Autohersteller wie DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda und Nissan mit Brennstoffzellenfahrzeugen experimentiert und diese demonstriert. Die ersten kommerziellen Brennstoffzellenfahrzeuge sollen 2004 oder 2005 auf die Straße kommen.

Ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Brennstoffzellentechnologie war die Vorführung eines experimentellen 32-Fuß-Stadtbusses von Ballard Power System im Juni 1993 mit einem 90-Kilowatt-Wasserstoff-Brennstoffzellenmotor. Seitdem viele verschiedene Typen und verschiedene Generationen von Brennstoffzellen-Personenkraftwagen, die von angetrieben werden verschiedene Typen Treibstoff. Seit Ende 1996 sind in Palm Desert in Kalifornien drei mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebene Golfcarts im Einsatz. Auf den Straßen von Chicago, Illinois; Vancouver, British Columbia; und Oslo, Norwegen, testen Brennstoffzellen-Stadtbusse. Auf den Straßen von London werden alkalische Brennstoffzellentaxis getestet.

Festinstallationen mit Brennstoffzellentechnologie werden ebenfalls demonstriert, sind aber noch nicht weit verbreitet. kommerzielle Anwendung. Die First National Bank of Omaha in Nebraska verwendet ein Brennstoffzellensystem, um die Computer mit Strom zu versorgen, da das System zuverlässiger ist als das alte Netzsystem mit Batteriepufferung. Der größte der Welt Handelssystem Eine 1,2-MW-Brennstoffzelle wird demnächst in einem Postzentrum in Alaska installiert. Auch Brennstoffzellen-Laptops, Steuersysteme für Kläranlagen und Verkaufsautomaten werden getestet und vorgeführt.

"Dafür und dagegen"

Brennstoffzellen haben eine Reihe von Vorteilen. Während der Wirkungsgrad moderner Verbrennungsmotoren nur 12-15 % beträgt, liegt dieser Koeffizient bei Brennstoffzellen bei 50 %. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen kann durchaus bei bleiben hohes Level, auch wenn sie nicht mit voller Nennleistung betrieben werden, was ein großer Vorteil gegenüber Benzinmotoren ist.

Die modulare Natur des Brennstoffzellendesigns bedeutet, dass die Kapazität eines Brennstoffzellen-Kraftwerks erhöht werden kann, indem einfach ein paar weitere Stufen hinzugefügt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Faktor der Kapazitätsunterauslastung minimiert wird, was eine bessere Abstimmung von Angebot und Nachfrage ermöglicht. Da der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Stacks von der Leistung der einzelnen Zellen bestimmt wird, arbeiten kleine Brennstoffzellen-Kraftwerke genauso effizient wie große. Darüber hinaus kann die Abwärme stationärer Brennstoffzellensysteme zur Wasser- und Raumheizung genutzt werden, was die Energieeffizienz weiter erhöht.

Beim Einsatz von Brennstoffzellen entstehen praktisch keine schädlichen Emissionen. Wenn der Motor mit reinem Wasserstoff betrieben wird, entstehen als Nebenprodukte nur Wärme und reiner Wasserdampf. Auf Raumfahrzeugen trinken Astronauten also Wasser, das durch den Betrieb von Brennstoffzellen an Bord entsteht. Die Zusammensetzung der Emissionen hängt von der Art der Wasserstoffquelle ab. Die Verwendung von Methanol führt zu null Emissionen von Stickoxiden und Kohlenmonoxid und nur geringen Kohlenwasserstoffemissionen. Die Emissionen steigen, wenn Sie von Wasserstoff zu Methanol zu Benzin wechseln, obwohl die Emissionen selbst bei Benzin ziemlich niedrig bleiben. In jedem Fall würde der Ersatz der heutigen traditionellen Verbrennungsmotoren durch Brennstoffzellen zu einer Gesamtreduzierung der CO2- und NOx-Emissionen führen.

Der Einsatz von Brennstoffzellen stellt die Flexibilität der Energieinfrastruktur dar und schafft Zusatzfunktionen für die dezentrale Stromerzeugung. Die Vielzahl dezentraler Energiequellen ermöglicht es, Übertragungsverluste zu reduzieren und Energieabsatzmärkte zu erschließen (was besonders für abgelegene und ländliche Gebiete ohne Zugang zu Stromleitungen wichtig ist). Mit Hilfe von Brennstoffzellen können einzelne Bewohner oder Quartiere den größten Teil des Stroms selbst versorgen und so die Effizienz der Nutzung deutlich steigern.

Brennstoffzellen liefern Energie Hohe Qualität und erhöhte Zuverlässigkeit. Sie sind langlebig, haben keine beweglichen Teile und erzeugen eine konstante Leistung.

Die Brennstoffzellentechnologie muss jedoch weiter verbessert werden, um die Leistung zu verbessern, Kosten zu senken und damit Brennstoffzellen gegenüber anderen Energietechnologien konkurrenzfähig zu machen. Zu beachten ist, dass bei der Betrachtung der Kosteneigenschaften von Energietechnologien Vergleiche auf Basis aller Komponenten angestellt werden sollten. technologische Eigenschaften einschließlich Kapitalbetriebskosten, Schadstoffemissionen, Stromqualität, Haltbarkeit, Außerbetriebnahme und Flexibilität.

Obwohl Wasserstoffgas der beste Brennstoff ist, gibt es noch keine Infrastruktur oder Transportbasis dafür. Kurzfristig könnten bestehende fossile Versorgungssysteme (Tankstellen etc.) genutzt werden, um Kraftwerke mit Wasserstoffquellen in Form von Benzin, Methanol oder Erdgas zu versorgen. Dies würde die Notwendigkeit dedizierter Wasserstofftankstellen beseitigen, aber jedes Fahrzeug mit einem Konverter von fossilen Brennstoffen in Wasserstoff („Reformer“) ausrüsten. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass fossile Brennstoffe verwendet werden und somit Kohlendioxidemissionen entstehen. Methanol, derzeit der Spitzenkandidat, verursacht weniger Emissionen als Benzin, würde aber einen größeren Tank im Auto erfordern, weil es bei gleichem Energieinhalt doppelt so viel Platz benötigt.

Im Gegensatz zu Versorgungssystemen für fossile Brennstoffe könnten Solar- und Windsysteme (die Elektrizität verwenden, um Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser zu erzeugen) und direkte Photoumwandlungssysteme (die Halbleitermaterialien oder Enzyme verwenden, um Wasserstoff zu erzeugen) Wasserstoff ohne einen Reformierungsschritt und damit Emissionen liefern von Schadstoffen, die beim Einsatz von Methanol- oder Benzin-Brennstoffzellen beobachtet werden, vermieden werden. Der Wasserstoff könnte gespeichert und bei Bedarf in der Brennstoffzelle verstromt werden. Für die Zukunft dürfte der Anschluss von Brennstoffzellen an diese Arten von erneuerbaren Energiequellen eine effektive Strategie sein, um eine produktive, umweltfreundliche und vielseitige Energiequelle bereitzustellen.

Die Empfehlungen des IEER sehen vor, dass lokale, bundesstaatliche und bundesstaatliche Regierungen einen Teil ihrer Budgets für die Beschaffung von Verkehrsmitteln Brennstoffzellenfahrzeugen und stationären Brennstoffzellensystemen zuweisen, um einige ihrer wesentlichen oder neuen Gebäude mit Wärme und Strom zu versorgen. Dies wird zur Entwicklung lebenswichtiger Technologien beitragen und Treibhausgasemissionen reduzieren.

BEI modernes Leben chemische stromquellen umgeben uns überall: das sind batterien in taschenlampen, batterien in Mobiltelefone, Wasserstoff-Brennstoffzellen, die bereits in einigen Fahrzeugen eingesetzt werden. Die rasante Entwicklung elektrochemischer Technologien kann dazu führen, dass wir in naher Zukunft statt Autos mit Benzinmotoren nur noch von Elektrofahrzeugen umgeben sein werden, Telefone nicht mehr so schnell ausgehen und jedes Haus eine eigene Brennstoffzelle haben wird Stromgenerator. Eines der gemeinsamen Programme der Uraler Föderalen Universität mit dem Institut für Hochtemperaturelektrochemie der Uraler Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften, in Zusammenarbeit mit dem wir diesen Artikel veröffentlichen, widmet sich der Steigerung der Effizienz von elektrochemischen Speichern und Stromgeneratoren .

Heutzutage gibt es viele verschiedene Arten von Batterien, zwischen denen es immer schwieriger wird, sich zurechtzufinden. Bei weitem nicht jedem ist klar, wie sich eine Batterie von einem Superkondensator unterscheidet und warum eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ohne Angst vor Umweltbelastungen eingesetzt werden kann. In diesem Artikel sprechen wir darüber, wie chemische Reaktionen zur Stromerzeugung genutzt werden, was die Haupttypen moderner chemischer Stromquellen unterscheidet und welche Perspektiven sich für die elektrochemische Energie eröffnen.

Chemie als Stromquelle

Schauen wir uns zunächst an, warum chemische Energie überhaupt zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Die Sache ist die, dass bei Redoxreaktionen Elektronen zwischen zwei verschiedenen Ionen übertragen werden. Werden die beiden Hälften der chemischen Reaktion räumlich getrennt, so dass Oxidation und Reduktion getrennt voneinander ablaufen, dann kann man dafür sorgen, dass ein Elektron, das sich von einem Ion loslöst, nicht sofort auf das zweite fällt, sondern zuerst geht einen dafür vorgegebenen Weg. Diese Reaktion kann als elektrische Stromquelle genutzt werden.

Dieses Konzept wurde erstmals im 18. Jahrhundert von dem italienischen Physiologen Luigi Galvani umgesetzt. Die Wirkung einer traditionellen galvanischen Zelle basiert auf den Reaktionen der Reduktion und Oxidation von Metallen mit unterschiedlicher Aktivität. Eine klassische Zelle ist beispielsweise eine galvanische Zelle, in der Zink oxidiert und Kupfer reduziert wird. Die Reduktions- und Oxidationsreaktionen finden jeweils an der Kathode und Anode statt. Und damit Kupfer- und Zinkionen nicht in „Fremdland“ geraten, wo sie direkt miteinander reagieren können, wird meist eine spezielle Membran zwischen Anode und Kathode gesetzt. Dadurch entsteht zwischen den Elektroden eine Potentialdifferenz. Verbindet man die Elektroden zum Beispiel mit einer Glühbirne, so beginnt im entstehenden Stromkreis Strom zu fließen und die Glühbirne leuchtet.

Diagramm einer galvanischen Zelle

Wikimedia Commons

Ein wichtiger Bestandteil der chemischen Stromquelle ist neben den Materialien der Anode und Kathode der Elektrolyt, in dem sich Ionen bewegen und an dessen Grenze alle elektrochemischen Reaktionen mit den Elektroden ablaufen. Dabei muss der Elektrolyt nicht flüssig sein – er kann sowohl ein Polymer als auch ein keramisches Material sein.

Der Hauptnachteil einer galvanischen Zelle ist ihre begrenzte Betriebszeit. Sobald die Reaktion zu Ende geht (dh die gesamte sich allmählich auflösende Anode vollständig verbraucht ist), hört ein solches Element einfach auf zu arbeiten.

Finger-Alkalibatterien

Wiederaufladbar

Der erste Schritt zur Erweiterung der Möglichkeiten chemischer Stromquellen war die Schaffung einer Batterie – einer Stromquelle, die wieder aufgeladen und somit wiederverwendet werden kann. Zu diesem Zweck schlugen die Wissenschaftler einfach vor, reversible chemische Reaktionen zu verwenden. Nach dem ersten vollständigen Entladen der Batterie kann mit Hilfe einer externen Stromquelle die darin ablaufende Reaktion in die entgegengesetzte Richtung gestartet werden. Dadurch wird der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt, sodass der Akku nach dem Aufladen wieder verwendet werden kann.

Kfz-Blei-Säure-Batterie

Bis heute wurden viele verschiedene Arten von Batterien geschaffen, die sich in der Art der in ihnen ablaufenden chemischen Reaktion unterscheiden. Die gebräuchlichsten Batterietypen sind Blei-Säure-Batterien (oder einfach Bleibatterien), die auf der Oxidations-Reduktions-Reaktion von Blei basieren. Solche Geräte haben eine ziemlich lange Lebensdauer und ihr Energieverbrauch beträgt bis zu 60 Wattstunden pro Kilogramm. Noch beliebter sind neuerdings Lithium-Ionen-Batterien auf Basis der Lithium-Redox-Reaktion. Die Energieintensität moderner Lithium-Ionen-Batterien übersteigt heute 250 Wattstunden pro Kilogramm.

Li-Ionen-Akku für Mobiltelefon

Die Hauptprobleme von Lithium-Ionen-Batterien sind ihre geringe Effizienz bei niedrigen Temperaturen, schnelle Alterung und erhöhte Explosivität. Und aufgrund der Tatsache, dass Lithiummetall sehr aktiv mit Wasser reagiert, um Wasserstoffgas zu bilden und Sauerstoff freigesetzt wird, wenn die Batterie brennt, ist die Selbstentzündung einer Lithium-Ionen-Batterie mit herkömmlichen Feuerlöschmethoden sehr schwierig zu verwenden. Um die Sicherheit einer solchen Batterie zu verbessern und ihre Ladezeit zu verkürzen, schlagen Wissenschaftler ein Kathodenmaterial vor, das die Bildung dendritischer Lithiumstrukturen verhindert, und fügen dem Elektrolyt Substanzen hinzu, die explosive Strukturen bilden, und Komponenten, die sich in den frühen Stadien entzünden .

Festelektrolyt

Als weitere weniger offensichtliche Möglichkeit zur Verbesserung der Effizienz und Sicherheit von Batterien haben Chemiker vorgeschlagen, sich nicht auf flüssige Elektrolyte in chemischen Energiequellen zu beschränken, sondern eine vollständig feste Energiequelle zu schaffen. In solchen Vorrichtungen gibt es überhaupt keine flüssigen Komponenten, sondern es gibt eine Schichtstruktur aus einer festen Anode, einer festen Kathode und einem festen Elektrolyten dazwischen. Der Elektrolyt übernimmt gleichzeitig die Funktion der Membran. Ladungsträger in einem Festelektrolyten können verschiedene Ionen sein, abhängig von seiner Zusammensetzung und den Reaktionen, die an Anode und Kathode stattfinden. Aber es sind immer genügend kleine Ionen, die sich relativ frei durch den Kristall bewegen können, zum Beispiel H + -Protonen, Li + -Lithiumionen oder O 2– -Sauerstoffionen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen

Die Fähigkeit zum Wiederaufladen und spezielle Sicherheitsmaßnahmen machen Batterien zu einer viel vielversprechenderen Stromquelle als herkömmliche Batterien, aber dennoch enthält jede Batterie eine begrenzte Menge an Reagenzien im Inneren und daher eine begrenzte Energieversorgung, und die Batterie muss jedes Mal wieder aufgeladen werden um seine Leistung wieder aufzunehmen.

Um eine Batterie „unendlich“ zu machen, ist es möglich, als Energiequelle nicht die Substanzen zu verwenden, die sich in der Zelle befinden, sondern Kraftstoff, der speziell durch sie gepumpt wird. Am besten eignet sich als solcher ein Stoff, der möglichst einfach in der Zusammensetzung, umweltfreundlich und auf der Erde reichlich vorhanden ist.

Die am besten geeignete Substanz dieser Art ist Wasserstoffgas. Seine Oxidation mit Luftsauerstoff zu Wasser (gemäß der Reaktion 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) ist eine einfache Redoxreaktion, auch der Elektronentransport zwischen Ionen kann als Stromquelle genutzt werden. Die in diesem Fall ablaufende Reaktion ist eine Art Umkehrreaktion zur Wasserelektrolysereaktion (bei der sich Wasser unter Einwirkung eines elektrischen Stroms in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt), und zum ersten Mal wurde ein solches Schema bereits vorgeschlagen Mitte des 19. Jahrhunderts.

Aber trotz der Tatsache, dass die Schaltung ziemlich einfach aussieht, ist es keineswegs eine triviale Aufgabe, ein effizientes Gerät zu schaffen, das auf diesem Prinzip basiert. Dazu ist es notwendig, die Sauerstoff- und Wasserstoffströme im Weltraum zu trennen, den Transport der erforderlichen Ionen durch den Elektrolyten sicherzustellen und mögliche Energieverluste in allen Betriebsphasen zu reduzieren.

Schematische Darstellung des Betriebs einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Das Schema einer funktionierenden Wasserstoff-Brennstoffzelle ist dem Schema einer chemischen Stromquelle sehr ähnlich, enthält jedoch zusätzliche Kanäle zum Zuführen von Brennstoff und Oxidationsmittel und zum Entfernen von Reaktionsprodukten und überschüssigen zugeführten Gasen. Die Elektroden in einem solchen Element sind poröse leitfähige Katalysatoren. Der Anode wird gasförmiger Brennstoff (Wasserstoff) und der Kathode ein Oxidationsmittel (Luftsauerstoff) zugeführt, und an der Grenze jeder Elektrode mit dem Elektrolyten findet ihre eigene Halbreaktion statt (Oxidation von Wasserstoff bzw. Reduktion von Sauerstoff). Die Wasserbildung selbst kann dabei je nach Brennstoffzellentyp und Elektrolyttyp entweder im Anoden- oder im Kathodenraum erfolgen.

Wasserstoff-Brennstoffzelle von Toyota

Joseph Brent / flickr

Handelt es sich bei dem Elektrolyten um ein protonenleitendes Polymer oder eine keramische Membran, eine Säure- oder Laugenlösung, so handelt es sich bei den Ladungsträgern im Elektrolyten um Wasserstoffionen. Dabei wird molekularer Wasserstoff an der Anode zu Wasserstoffionen oxidiert, die den Elektrolyten passieren und dort mit Sauerstoff reagieren. Ist das Sauerstoffion O 2– der Ladungsträger, wie bei einem Festoxidelektrolyten, so wird Sauerstoff an der Kathode zu einem Ion reduziert, dieses Ion passiert den Elektrolyten und oxidiert an der Anode Wasserstoff zu Wasser und wird frei Elektronen.

Zusätzlich zur Wasserstoffoxidationsreaktion für Brennstoffzellen wurde vorgeschlagen, andere Reaktionstypen zu verwenden. Beispielsweise könnte der reduzierende Brennstoff anstelle von Wasserstoff Methanol sein, das durch Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert wird.

Brennstoffzellen-Effizienz

Trotz aller Vorteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen (wie Umweltfreundlichkeit, praktisch unbegrenzter Wirkungsgrad, kompakte Größe und hohe Energieintensität) haben sie auch eine Reihe von Nachteilen. Dazu gehören zunächst die allmähliche Alterung der Komponenten und die Schwierigkeiten bei der Speicherung von Wasserstoff. An der Beseitigung dieser Mängel arbeiten Wissenschaftler heute.

Derzeit wird vorgeschlagen, die Effizienz von Brennstoffzellen zu erhöhen, indem die Zusammensetzung des Elektrolyten, die Eigenschaften der Katalysatorelektrode und die Geometrie des Systems (was die Zufuhr von Brenngasen zum gewünschten Punkt sicherstellt und Nebenwirkungen verringert) geändert werden. Um das Problem der Speicherung von Wasserstoffgas zu lösen, werden platinhaltige Materialien verwendet, zu deren Sättigung beispielsweise Graphenmembranen verwendet werden.

Dadurch kann eine Erhöhung der Stabilität der Brennstoffzelle und der Lebensdauer ihrer einzelnen Komponenten erreicht werden. Jetzt erreicht der Umwandlungskoeffizient von chemischer Energie in elektrische Energie in solchen Zellen 80 Prozent und kann unter bestimmten Bedingungen sogar noch höher sein.

Große Perspektiven für Wasserstoffenergie sind mit der Möglichkeit verbunden, Brennstoffzellen zu ganzen Batterien zu kombinieren und sie zu elektrischen Generatoren mit hoher Leistung zu machen. Bereits heute haben mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebene elektrische Generatoren eine Leistung von bis zu mehreren hundert Kilowatt und werden als Energiequelle für Fahrzeuge eingesetzt.

Alternative elektrochemische Speicherung

Als Energiespeicher kommen neben klassischen elektrochemischen Stromquellen auch ausgefallenere Systeme zum Einsatz. Eines dieser Systeme ist ein Superkondensator (oder Ionistor) – ein Gerät, in dem Ladungstrennung und -akkumulation aufgrund der Bildung einer Doppelschicht in der Nähe einer geladenen Oberfläche auftritt. An der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche in einem solchen Gerät reihen sich Ionen unterschiedlichen Vorzeichens in zwei Schichten, der sogenannten „doppelten elektrischen Schicht“, aneinander und bilden eine Art hauchdünnen Kondensator. Die Kapazität eines solchen Kondensators, dh die Menge der angesammelten Ladung, wird durch die spezifische Oberfläche des Elektrodenmaterials bestimmt, daher ist es vorteilhaft, poröse Materialien mit der maximalen spezifischen Oberfläche als Material für zu nehmen Superkondensatoren.

Ionistoren sind Champions unter den chemischen Lade-Entlade-Stromquellen in Bezug auf die Ladegeschwindigkeit, was ein unbestrittener Vorteil dieser Art von Geräten ist. Leider sind sie auch Rekordhalter in Sachen Entladegeschwindigkeit. Die Energiedichte von Ionistoren ist achtmal geringer im Vergleich zu Bleibatterien und 25-mal geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Klassische "Doppelschicht"-Ionistoren verwenden keine elektrochemische Reaktion in ihrem Kern, und der Begriff "Kondensator" wird am treffendsten auf sie angewendet. Bei solchen Versionen von Ionistoren, die auf einer elektrochemischen Reaktion beruhen und bei denen die Ladungsakkumulation bis in die Tiefe der Elektrode reicht, ist es jedoch möglich, höhere Entladezeiten zu erreichen, während eine schnelle Laderate beibehalten wird. Die Bemühungen der Entwickler von Superkondensatoren zielen darauf ab, Hybridgeräte mit Batterien zu schaffen, die die Vorteile von Superkondensatoren, vor allem eine hohe Laderate, und die Vorteile von Batterien - hohe Energieintensität und lange Entladezeit - kombinieren. Stellen Sie sich in naher Zukunft eine Ionistor-Batterie vor, die in wenigen Minuten aufgeladen wird und einen Laptop oder ein Smartphone für einen Tag oder länger mit Strom versorgt!

Trotz der Tatsache, dass die Energiedichte von Superkondensatoren immer noch um ein Vielfaches geringer ist als die Energiedichte von Batterien, werden sie verwendet Unterhaltungselektronik und für Motoren verschiedener Fahrzeuge, darunter die meisten.

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Daher gibt es heute eine große Anzahl elektrochemischer Vorrichtungen, von denen jede für ihre spezifischen Anwendungen vielversprechend ist. Um die Effizienz dieser Geräte zu verbessern, müssen Wissenschaftler eine Reihe grundlegender und technologischer Probleme lösen. Die meisten dieser Aufgaben werden im Rahmen eines der bahnbrechenden Projekte an der Ural Federal University behandelt, deshalb haben wir Maxim Ananiev, Direktor des Instituts für Hochtemperatur-Elektrochemie der Ural-Zweigstelle der Russischen Akademie der Wissenschaften, gefragt, Professor der Abteilung für elektrochemische Produktionstechnologie des Instituts für chemische Technologie der Uraler Bundesuniversität, um über die unmittelbaren Pläne und Perspektiven für die Entwicklung moderner Brennstoffzellen zu sprechen.

N+1: Gibt es in naher Zukunft eine Alternative zu den beliebtesten Li-Ionen-Akkus?

Maxim Anajew: Moderne Bemühungen der Batterieentwickler zielen darauf ab, die Art der Ladungsträger im Elektrolyten von Lithium durch Natrium, Kalium und Aluminium zu ersetzen. Durch den Ersatz von Lithium können die Kosten der Batterie gesenkt werden, obwohl die Gewichts- und Größeneigenschaften proportional zunehmen werden. Mit anderen Worten, bei gleichen elektrischen Eigenschaften ist eine Natrium-Ionen-Batterie größer und schwerer als eine Lithium-Ionen-Batterie.

Darüber hinaus ist eines der vielversprechenden Entwicklungsgebiete zur Verbesserung von Batterien die Schaffung hybrider chemischer Energiequellen auf der Grundlage der Kombination von Metall-Ionen-Batterien mit einer Luftelektrode, wie in Brennstoffzellen. Generell wird die Richtung zur Schaffung von Hybridsystemen, wie sie bereits am Beispiel von Superkondensatoren gezeigt wurde, offenbar in naher Zukunft ermöglichen, chemische Energieträger mit hohen Verbrauchereigenschaften auf dem Markt zu sehen.

Die Ural Federal University führt derzeit zusammen mit akademischen und industriellen Partnern aus Russland und der ganzen Welt sechs Megaprojekte durch, die sich auf bahnbrechende Bereiche konzentrieren wissenschaftliche Forschung. Eines dieser Projekte ist "Perspective Technologies of Electrochemical Energy Engineering from Chemical Design of New Materials to New Generation Electrochemical Devices for Energy Conservation and Conversion".

Die Gruppe von Wissenschaftlern der Strategic Academic Unit (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, zu der auch Maxim Ananiev gehört, beschäftigt sich mit dem Design und der Entwicklung neuer Materialien und Technologien, einschließlich Brennstoffzellen, Elektrolysezellen, Metallgraphenbatterien und elektrochemischen Energiespeichersysteme und Superkondensatoren.

Forschung und wissenschaftliche Arbeit werden in ständiger Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochtemperatur-Elektrochemie, Uraler Zweigstelle der Russischen Akademie der Wissenschaften und mit Unterstützung von Partnern durchgeführt.

Welche Brennstoffzellen werden derzeit entwickelt und haben das größte Potenzial?

Eine der vielversprechendsten Arten von Brennstoffzellen sind Protonen-Keramik-Zellen. Sie haben Vorteile gegenüber Polymerbrennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran und Festoxidzellen, da sie mit einer direkten Zufuhr von Kohlenwasserstoffbrennstoff betrieben werden können. Dies vereinfacht den Aufbau eines Kraftwerks auf Basis protonenkeramischer Brennstoffzellen und der Steuerung erheblich und erhöht damit die Betriebssicherheit. Zwar ist diese Art von Brennstoffzellen im Moment historisch weniger entwickelt, aber die moderne wissenschaftliche Forschung lässt auf ein hohes Potenzial dieser Technologie für die Zukunft hoffen.

Welche Probleme im Zusammenhang mit Brennstoffzellen werden derzeit an der Uraler Föderalen Universität behandelt?

Jetzt arbeiten UrFU-Wissenschaftler zusammen mit dem Institut für Hochtemperatur-Elektrochemie (IHTE) der Ural-Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften an der Entwicklung hocheffizienter elektrochemischer Geräte und autonomer Stromgeneratoren für Anwendungen in der dezentralen Energie. Die Schaffung von Kraftwerken für dezentrale Energie impliziert zunächst die Entwicklung von Hybridsystemen auf der Grundlage eines Stromgenerators und einer Speichervorrichtung, bei denen es sich um Batterien handelt. Gleichzeitig arbeitet die Brennstoffzelle kontinuierlich, sorgt für Last in Spitzenzeiten und lädt im Leerlauf die Batterie, die ihrerseits sowohl bei hohem Stromverbrauch als auch in Notsituationen als Reserve fungieren kann.

Den größten Erfolg erzielten Chemiker der Uraler Föderalen Universität und des IHTE bei der Entwicklung von Festoxid- und Protonen-Keramik-Brennstoffzellen. Seit 2016 entsteht im Ural zusammen mit der Staatsgesellschaft Rosatom die erste russische Produktion von Kraftwerken auf Basis von Festoxid-Brennstoffzellen. Die Entwicklung der Ural-Wissenschaftler hat bereits "Feldtests" an der Kathodenschutzstation der Gaspipeline auf dem Versuchsgelände von Uraltransgaz LLC bestanden. Das Kraftwerk mit einer Nennleistung von 1,5 Kilowatt hat mehr als 10.000 Stunden gearbeitet und ein hohes Potenzial für den Einsatz solcher Geräte gezeigt.

Im Rahmen des gemeinsamen Labors der Ural Federal University und IHTE werden elektrochemische Geräte auf Basis einer protonenleitenden Keramikmembran entwickelt. Dadurch wird es in naher Zukunft möglich, die Betriebstemperaturen von Festoxidbrennstoffzellen von 900 auf 500 Grad Celsius zu senken und auf die Vorreformierung von Kohlenwasserstoffbrennstoff zu verzichten, um so kostengünstige elektrochemische Generatoren zu schaffen, die unter den Bedingungen von a entwickelte Gasversorgungsinfrastruktur in Russland.

Alexander Dubow

Ökologie des Wissens Wissenschaft und Technologie: Wasserstoffenergie ist eine der höchsteffizienten Industrien, und Brennstoffzellen ermöglichen es ihr, an der Spitze innovativer Technologien zu bleiben.

Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das effizient Gleichstrom und Wärme aus einem wasserstoffreichen Brennstoff durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt.

Ähnlich wie eine Batterie erzeugt eine Brennstoffzelle durch eine chemische Reaktion Gleichstrom. Wie eine Batterie enthält eine Brennstoffzelle wiederum eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Im Gegensatz zu Batterien können Brennstoffzellen jedoch keine elektrische Energie speichern, sich nicht entladen und benötigen keinen Strom, um wieder aufgeladen zu werden. Brennstoffzellen können kontinuierlich Strom erzeugen, solange sie mit Brennstoff und Luft versorgt werden. Richtiger Begriff Um eine funktionierende Brennstoffzelle zu beschreiben, handelt es sich um ein System von Elementen, da einige Hilfssysteme für den vollen Betrieb erforderlich sind.

Im Gegensatz zu anderen Energieerzeugern wie Verbrennungsmotoren oder Turbinen, die mit Gas, Kohle, Öl usw. betrieben werden, verbrennen Brennstoffzellen keinen Kraftstoff. Das bedeutet keine lauten Hochdruckrotoren, keine lauten Abgasgeräusche, keine Vibrationen. Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine stille elektrochemische Reaktion. Eine weitere Eigenschaft von Brennstoffzellen ist, dass sie die chemische Energie des Brennstoffs direkt in Strom, Wärme und Wasser umwandeln.

Brennstoffzellen sind hocheffizient und produzieren keine großen Mengen an Treibhausgasen wie Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Die einzigen Produkte, die Brennstoffzellen emittieren, sind Wasser in Form von Dampf und eine geringe Menge Kohlendioxid, das bei Verwendung von reinem Wasserstoff als Brennstoff überhaupt nicht emittiert wird. Brennstoffzellen werden zu Baugruppen und dann zu einzelnen Funktionsmodulen zusammengesetzt.

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen erzeugen Strom und Wärme aufgrund der ablaufenden elektrochemischen Reaktion unter Verwendung eines Elektrolyten, einer Kathode und einer Anode.

Anode und Kathode sind durch einen protonenleitenden Elektrolyten getrennt. Nachdem Wasserstoff in die Anode und Sauerstoff in die Kathode eingetreten sind, beginnt eine chemische Reaktion, bei der elektrischer Strom, Wärme und Wasser erzeugt werden. Am Anodenkatalysator dissoziiert molekularer Wasserstoff und gibt Elektronen ab. Wasserstoffionen (Protonen) werden durch den Elektrolyten zur Kathode geleitet, während Elektronen durch den Elektrolyten und durch einen externen Stromkreis geleitet werden, wodurch ein Gleichstrom erzeugt wird, der zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden kann. 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.

Nachfolgend die entsprechende Reaktion:

Anodenreaktion: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktion an der Kathode: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Allgemeine Elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

Brennstoffzellen-Typen

Ähnlich wie es verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren gibt, gibt es auch verschiedene Typen von Brennstoffzellen – die Wahl des geeigneten Brennstoffzellentyps hängt von seiner Anwendung ab.Brennstoffzellen werden in Hochtemperatur- und Niedertemperaturzellen unterteilt. Niedertemperatur-Brennstoffzellen benötigen relativ reinen Wasserstoff als Brennstoff.

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 Brennstoff bei erhöhten Temperaturen „intern umwandeln“ können, wodurch keine Investitionen in die Wasserstoffinfrastruktur erforderlich sind.

Brennelemente auf geschmolzenem Karbonat (MCFC).

Schmelzkarbonat-Elektrolyt-Brennstoffzellen sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht die direkte Nutzung von Erdgas ohne Brennstoffprozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert aus Prozessbrennstoffen und 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. Um Karbonatsalze zu schmelzen und eine hohe Ionenmobilität im Elektrolyten zu erreichen, arbeiten Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt bei hohen Temperaturen (650 °C). Der Wirkungsgrad variiert zwischen 60-80%.

Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 650°C werden die Salze zu einem Leiter für Carbonationen (CO32-). 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: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reaktion an der Kathode: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Allgemeine Elementreaktion: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(Kathode) => H2O(g) + CO2(Anode)

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.

Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (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 (H3PO4) 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.

Ladungsträger in solchen 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.

Anodenreaktion: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktion an der Kathode: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Allgemeine Elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

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 CO2 den Elektrolyten und den Betrieb der Brennstoffzelle nicht, dieser Zelltyp arbeitet mit reformiertem Naturbrennstoff. Einfacher Aufbau, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls 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 gelangen durch den Elektrolyten zur Kathode, während sich die Elektronen um den äußeren Kreis bewegen und elektrische Energie erzeugen. 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:

Anodenreaktion: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktion an der Kathode: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Allgemeine Elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

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 der 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 diese hohen Temperaturen zu bewältigen, ist der verwendete Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis, oft eine Legierung aus Yttrium und Zirkonium, das ein Leiter von Sauerstoff (O2-)-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 solchen Brennstoffzellen ist das Sauerstoffion (О2-). 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.

Anodenreaktion: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reaktion an der Kathode: O2 + 4e- => 2O2-
Allgemeine Elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

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.

Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation (DOMTE)

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 (CH3OH) wird jedoch in Gegenwart von Wasser an der Anode oxidiert, wobei CO2, 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.

Anodenreaktion: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reaktion an der Kathode: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Allgemeine Elementreaktion: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

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 Raumschiffe Brennstoffzellen produzieren Strom 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 im 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:

Anodenreaktion: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktion an der Kathode: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Allgemeine Reaktion des Systems: 2H2 + O2 => 2H2O

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 SFC ist seine hohe Empfindlichkeit gegenüber CO2, das in Kraftstoff oder Luft enthalten sein kann. CO2 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, H2O und CH4, die für andere Brennstoffzellen sicher und für einige von ihnen sogar Brennstoff sind, für SFCs schädlich.

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PETE)

Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen die Leitungswasserionen H2O+ (Proton, rot) an das Wassermolekül angelagert sind. 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)

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

Begleiten Sie uns auf

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 leise und effizient Strom, ohne die Umwelt zu belasten. Im Gegensatz zu fossilen Energiequellen sind die Nebenprodukte von Brennstoffzellen Wärme und Wasser. Wie es funktioniert?

In diesem Artikel werden wir jede der heute existierenden Brennstofftechnologien kurz betrachten, über die Konstruktion und den Betrieb von Brennstoffzellen sprechen und sie mit anderen Formen der Energieerzeugung vergleichen. 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. Die Brennstoffzelle wandelt Chemikalien, Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser um und erzeugt dabei Strom.

Ein weiteres elektrochemisches Gerät, mit dem wir alle sehr vertraut sind, ist die Batterie. Der Akku hat alles Notwendige chemische Elemente in sich und wandelt diese Stoffe 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 Strom fließt, wird Strom erzeugt Chemikalien in das Element. 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 benannte 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 Kraftstoffquelle nicht in Form von reinem Wasserstoff vorliegt, benötigt das Fahrzeug auch einen Reformer. 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, nutzen 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.

DIE KLINGEL

Geschichte der Brennstoffzellen-/Zellentwicklung

Wie Brennstoffzellen/Zellen funktionieren

Typen und Vielfalt von Brennstoffzellen/Zellen

Brennstoffzellen/Zellen auf geschmolzenem Karbonat (MCFC)

Brennstoffzellen/Zellen auf Basis von Phosphorsäure (PFC)

Festoxidbrennstoffzellen/-zellen (SOFC)

Brennstoffzellen/Zellen mit direkter Methanoloxidation (DOMTE)

Alkalische Brennstoffzellen/Zellen (AFC)

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen/-Zellen (PETE)

Festsäurebrennstoffzellen/-zellen (SCFC)

Verschiedene Brennstoffzellenmodule. Brennstoffzellen-Batterie

Vergleichende Analyse von Typen und Sorten von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen-/Zellanwendungen

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Telekommunikationssystemen

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Kommunikationsnetzen

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Datennetzen

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in Sicherheitssystemen

Anwendung von Brennstoffzellen/Zellen in der häuslichen Heizungs- und Stromerzeugung

Einsatz von Brennstoffzellen/Zellen in Verteilnetzen

Einsatz von Brennstoffzellen zum Schutz der Umwelt - Nutzung von Erdölbegleitgas

Chemie als Stromquelle

Wiederaufladbar

Festelektrolyt

Wasserstoff-Brennstoffzellen

Brennstoffzellen-Effizienz

Alternative elektrochemische Speicherung

* * *

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen

Erfindung der Brennstoffzellen

Polymer-Austauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Brennstoffzelle mit Polymeraustauschmembran

Brennstoffzellen-Effizienz

Effizienz eines Benzinmotors und eines Autos mit Elektrobatterien

Warum Brennstoffzellen verwenden?

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