Das wasserbetriebene Auto könnte bald Realität werden und Wasserstoff-Brennstoffzellen werden in vielen Haushalten installiert werden ...

Die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie ist nicht neu. Es begann 1776, als Henry Cavendish zum ersten Mal Wasserstoff entdeckte, während er Metalle in verdünnten Säuren löste. Die erste Wasserstoff-Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von William Grove erfunden. Seitdem wurden Wasserstoff-Brennstoffzellen sukzessive verbessert und werden heute in Raumfähren verbaut, versorgen diese mit Energie und dienen als Wasserquelle. Heute steht die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie kurz davor, den Massenmarkt in Autos, Haushalten und tragbaren Geräten zu erreichen.

In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle wird chemische Energie (in Form von Wasserstoff und Sauerstoff) direkt (ohne Verbrennung) in elektrische Energie umgewandelt. Die Brennstoffzelle besteht aus einer Kathode, Elektroden und einer Anode. Der Anode wird Wasserstoff zugeführt, wo er in Protonen und Elektronen gespalten wird. Protonen und Elektronen haben unterschiedliche Wege zur Kathode. Die Protonen wandern durch die Elektrode zur Kathode, und die Elektronen wandern um die Brennstoffzellen herum, um zur Kathode zu gelangen. Diese Bewegung erzeugt anschließend nutzbare elektrische Energie. Auf der anderen Seite verbinden sich Wasserstoffprotonen und -elektronen mit Sauerstoff zu Wasser.

Elektrolyseure sind eine Möglichkeit, Wasserstoff aus Wasser zu extrahieren. Der Prozess ist im Grunde das Gegenteil dessen, was passiert, wenn eine Wasserstoff-Brennstoffzelle arbeitet. Der Elektrolyseur besteht aus einer Anode, einer elektrochemischen Zelle und einer Kathode. Wasser und Spannung werden an die Anode angelegt, die das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Wasserstoff strömt durch die elektrochemische Zelle zur Kathode und Sauerstoff wird direkt der Kathode zugeführt. Dort können Wasserstoff und Sauerstoff entnommen und gespeichert werden. In Zeiten, in denen keine Stromerzeugung benötigt wird, kann das angesammelte Gas aus dem Speicher entnommen und durch die Brennstoffzelle zurückgeführt werden.

Dieses System verwendet Wasserstoff als Brennstoff, weshalb es wahrscheinlich viele Mythen über seine Sicherheit gibt. Nach der Explosion der Hindenburg begannen viele Menschen weit weg von der Wissenschaft und sogar einige Wissenschaftler zu glauben, dass die Verwendung von Wasserstoff sehr gefährlich ist. Jüngste Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Ursache dieser Tragödie auf die Art des Materials zurückzuführen war, das für den Bau verwendet wurde, und nicht auf den Wasserstoff, der in das Innere gepumpt wurde. Nach Prüfung der Sicherheit der Wasserstoffspeicherung wurde festgestellt, dass Die Wasserstoffspeicherung in Brennstoffzellen ist sicherer als Benzin im Kraftstofftank eines Autos zu lagern.

Was kosten moderne Wasserstoff-Brennstoffzellen?? Unternehmen bieten derzeit Wasserstoff-Kraftstoffsysteme zur Stromerzeugung für etwa 3.000 US-Dollar pro Kilowatt an. Marktforschungen haben ergeben, dass die Verbraucher im Massenenergiemarkt bereit sind, auf diese Art von Kraftstoff umzusteigen, wenn die Kosten auf 1.500 US-Dollar pro Kilowatt sinken.

Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen sind immer noch teurer als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, aber die Hersteller suchen nach Möglichkeiten, den Preis auf ein vergleichbares Niveau zu bringen. In manchen abgelegenen Gegenden ohne Stromleitungen kann die Nutzung von Wasserstoff als Treibstoff oder die autonome Stromversorgung zu Hause schon heute wirtschaftlicher sein als beispielsweise der Aufbau einer Infrastruktur für traditionelle Energieträger.

Warum sind Wasserstoffbrennstoffzellen noch immer nicht weit verbreitet? Derzeit sind ihre hohen Kosten das Hauptproblem für die Verbreitung von Wasserstoff-Brennstoffzellen. Wasserstoff-Kraftstoffsysteme haben derzeit einfach keine Massennachfrage. Die Wissenschaft steht jedoch nicht still und in naher Zukunft kann ein Auto, das mit Wasser fährt, Realität werden.

Herstellung, Montage, Prüfung und Prüfung von Brennstoffzellen (Wasserstoff)/Zellen
Hergestellt in Fabriken in den USA und Kanada

Brennstoffzellen (Wasserstoff) Zellen/Zellen

Die Firma Intech GmbH / LLC Die Intech GmbH ist seit 1997 auf dem Markt für Ingenieurdienstleistungen tätig, der langjährige Beamte für verschiedene Industrieanlagen, macht Sie auf verschiedene Brennstoffzellen (Wasserstoff) / Zellen aufmerksam.

Eine Brennstoffzelle/Zelle ist

Vorteile von Brennstoffzellen/Zellen

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

Eine Brennstoffzelle ähnelt einer Batterie, da sie durch eine chemische Reaktion Gleichstrom erzeugt. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Im Gegensatz zu Batterien können Brennstoffzellen/Zellen jedoch keine elektrische Energie speichern, entladen sich nicht und erfordern kein Wiederaufladen von Elektrizität. Brennstoffzellen/Zellen können kontinuierlich Strom erzeugen, solange sie mit Brennstoff und Luft versorgt werden.

Im Gegensatz zu anderen Stromgeneratoren wie Verbrennungsmotoren oder Turbinen, die mit Gas, Kohle, Öl usw. betrieben werden, verbrennen Brennstoffzellen/Zellen 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 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. Das Ergebnis sind drei Reaktionsnebenprodukte, die in der 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 die industrielle Welt einen Mangel an Heizöl erlebte. Im gleichen Zeitraum machten sich auch die Länder der Welt Sorgen um das Problem der Luftverschmutzung und erwogen Möglichkeiten zur umweltfreundlichen Stromerzeugung. 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.

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: 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

Ähnlich wie es verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren gibt, gibt es 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, sodass 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 Nutzung von Erdgas ohne Brennstoffprozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert aus Prozessbrennstoffen und 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. 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 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 Anwendungen genutzt werden.

Auch hohe Reaktionstemperaturen im Elektrolyten haben ihre Vorteile. Die Anwendung hoher Temperaturen benötigt viel Zeit, 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 Brennstoffzellenbasis 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. Einfacher Aufbau, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls 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 diese hohen Temperaturen zu handhaben, ist der verwendete Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis, häufig 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 erzeugt wird. 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 liegt in ihren geringen Abmessungen aufgrund der Verwendung von flüssigem Brennstoff und dem Wegfall der Verwendung eines Konverters.

Alkalische Brennstoffzellen/Zellen (AFC)

Alkalische Brennstoffzellen gehören zu den effizientesten Zellen, die zur Stromerzeugung verwendet werden, mit einem Wirkungsgrad der Stromerzeugung von bis zu 70 %.

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 die, 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.

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 eine längere Anlaufzeit und sind daher besser für den Dauerbetrieb 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. Diese innovative Technologie eignet sich am besten 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 und 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. Batterien eignen sich jedoch nicht für längere Überbrückungszeiträume, da sie teuer in der Wartung sind, nach längerer Verwendung unzuverlässig werden, temperaturempfindlich sind und nach der Entsorgung umweltgefährdend sind. 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. Die niedrigeren Kosten pro Brennstoffzelle sind das Ergebnis von nur einem Wartungsbesuch pro Jahr und einer deutlich höheren Anlagenproduktivität. Schließlich ist die Brennstoffzelle eine umweltfreundliche Technologielösung mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt.

Brennstoffzelleneinheiten bieten Notstromversorgung für kritische Kfür drahtlose, permanente und Breitbandkommunikation in einem Telekommunikationssystem, von 250 W bis 15 kW, sie bieten viele konkurrenzlose innovative Funktionen:

• VERLÄSSLICHKEIT– Wenig 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 eine hochwertige, geregelte DC-Leistung für die erforderlichen Lasten umwandelt. Eine Brennstoffzellenanlage kann viele Tage lang 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, kommerzieller Kraftstoff, der derzeit viele Verwendungszwecke hat, darunter Scheibenwaschanlagen, Plastikflaschen, Motoradditive und 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 ihres energiesparenden Konstruktionsprinzips 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. Ein Stromausfall in solchen Netzen gefährdet nicht nur die übertragenen 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
• Anwendungen mit Anforderungen an die Batterielebensdauer > 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:

1. Die Flüssigbrennstofftechnologie löst das Problem der Wasserstoffspeicherung und bietet praktisch unbegrenzte Notstromversorgung.
2. 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.
3. Die Vorbereitungen für den Einsatz des Systems vor Ort sind schnell und kostengünstig, und die Betriebskosten sind gering.
4. 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 sind sich ihrer Zuverlässigkeit und Wartungsprobleme bewusst. 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 umweltfreundliche, zuverlässige und langlebige Notstromversorgung (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 zahlreiche Vorteile für kritische Anwendungen wie Sicherheits- und Gebäudemanagementsysteme gegenüber herkömmlichen Batterie- oder Dieselgeneratoren. 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 thermische Kraftwerke zu bauen, um Strom und Wärme aus weit verfügbarem Erdgas und erneuerbaren Brennstoffen 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.

Diese energiesparenden Geräte produzieren Wärme für die Raum- und Warmwasserbereitung sowie Strom, der im Haushalt genutzt und in das Stromnetz zurückgespeist werden kann. Verteilte Stromerzeugungsquellen können Photovoltaik-(Solar-)Zellen und Mikrowindturbinen umfassen. Diese Technologien sind sichtbar und weithin bekannt, aber ihr Betrieb hängt von den Wetterbedingungen ab und sie können nicht das ganze Jahr über konstant Strom erzeugen. In Bezug auf die Leistung können Wärmekraftwerke von weniger als 1 kW bis 6 MW und mehr variieren.

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 von KWK-Anlagen erzeugt und über die derzeit verwendeten traditionellen Übertragungsnetze zu den Haushalten übertragen wird. 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.

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

Brennstoffzellen sind eine Möglichkeit, die Energie von Wasserstoffbrennstoff elektrochemisch in Elektrizität umzuwandeln, und das einzige Nebenprodukt dieses Prozesses ist Wasser.

Der derzeit in Brennstoffzellen verwendete Wasserstoffbrennstoff wird normalerweise aus der Dampfreformierung von Methan gewonnen (d. h. Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mit Dampf und Wärme in Methan), obwohl es einen umweltfreundlicheren Ansatz geben kann, wie z. B. die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Sonnenenergie.

Die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle sind:

• eine Anode, in der Wasserstoff oxidiert wird;
• Kathode, wo Sauerstoff reduziert wird;
• eine Polymerelektrolytmembran, durch die Protonen oder Hydroxidionen transportiert werden (je nach Medium) - sie lässt keinen Wasserstoff und Sauerstoff passieren;
• Strömungsfelder von Sauerstoff und Wasserstoff, die für die Zuführung dieser Gase zur Elektrode verantwortlich sind.

Um beispielsweise ein Auto mit Strom zu versorgen, werden mehrere Brennstoffzellen zu einer Batterie zusammengebaut, und die von dieser Batterie gelieferte Energiemenge hängt von der Gesamtfläche der Elektroden und der Anzahl der darin enthaltenen Zellen ab. Energie in einer Brennstoffzelle wird wie folgt erzeugt: Wasserstoff wird an der Anode oxidiert, und die Elektronen davon werden zur Kathode geschickt, wo Sauerstoff reduziert wird. Die aus der Oxidation von Wasserstoff an der Anode gewonnenen Elektronen haben ein höheres chemisches Potential als die Elektronen, die an der Kathode Sauerstoff reduzieren. Dieser Unterschied zwischen den chemischen Potentialen der Elektronen ermöglicht es, Energie aus Brennstoffzellen zu gewinnen.

Geschichte der Schöpfung

Die Geschichte der Brennstoffzellen reicht bis in die 1930er Jahre zurück, als die erste Wasserstoff-Brennstoffzelle von William R. Grove entworfen wurde. Diese Zelle verwendete Schwefelsäure als Elektrolyt. Grove versuchte, Kupfer aus einer wässrigen Lösung von Kupfersulfat auf einer Eisenoberfläche abzuscheiden. Er bemerkte, dass sich Wasser unter Einwirkung eines Elektronenstroms in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Nach dieser Entdeckung demonstrierten Grove und Christian Schoenbein, ein Chemiker an der Universität Basel (Schweiz), der parallel mit ihm arbeitete, 1839 gleichzeitig die Möglichkeit, Energie in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle unter Verwendung eines sauren Elektrolyten zu erzeugen. Diese frühen Versuche, obwohl ihrer Natur nach recht primitiv, erregten die Aufmerksamkeit einiger ihrer Zeitgenossen, einschließlich Michael Faraday.

Die Forschung an Brennstoffzellen wurde fortgesetzt, und in den 1930er Jahren begann F.T. Bacon führte eine neue Komponente in eine alkalische Brennstoffzelle (eine der Arten von Brennstoffzellen) ein – eine Ionenaustauschmembran, um den Transport von Hydroxidionen zu erleichtern.

Eines der berühmtesten historischen Beispiele für den Einsatz alkalischer Brennstoffzellen ist ihre Verwendung als Hauptenergiequelle bei Raumflügen im Apollo-Programm.

Sie wurden von der NASA aufgrund ihrer Haltbarkeit und technischen Stabilität ausgewählt. Sie verwendeten eine hydroxidleitende Membran, die ihrer Schwester mit Protonenaustausch überlegen war.

Seit fast zwei Jahrhunderten seit der Entwicklung des ersten Brennstoffzellen-Prototyps wurde viel daran gearbeitet, sie zu verbessern. Im Allgemeinen hängt die aus einer Brennstoffzelle gewonnene Endenergie von der Kinetik der Redoxreaktion, dem Innenwiderstand der Zelle und dem Stoffübergang der reagierenden Gase und Ionen zu den katalytisch aktiven Komponenten ab. Im Laufe der Jahre wurden viele Verbesserungen an der ursprünglichen Idee vorgenommen, wie zum Beispiel:

1) Ersatz von Platindrähten durch Elektroden auf Basis von Kohlenstoff mit Platin-Nanopartikeln; 2) die Erfindung von Membranen mit hoher Leitfähigkeit und Selektivität, wie Nafion, um den Ionentransport zu erleichtern; 3) Kombinieren der katalytischen Schicht, beispielsweise Platin-Nanopartikel, verteilt auf einer Kohlenstoffbasis, mit Ionenaustauschermembranen, was zu einer Membran-Elektroden-Einheit mit minimalem Innenwiderstand führt; 4) Verwendung und Optimierung von Strömungsfeldern, um Wasserstoff und Sauerstoff an die katalytische Oberfläche zu liefern, anstatt sie direkt in Lösung zu verdünnen.

Diese und andere Verbesserungen führten schließlich zu einer Technologie, die effizient genug war, um in Fahrzeugen wie dem Toyota Mirai eingesetzt zu werden.

Brennstoffzellen mit Hydroxid-Austauschmembranen

Die University of Delaware forscht an der Entwicklung von Brennstoffzellen mit Hydroxid-Austauschmembranen – HEMFCs (Hydroxid-Austauschmembran-Brennstoffzellen). Brennstoffzellen mit Hydroxidaustauschermembranen anstelle von Protonenaustauschermembranen – PEMFCs (Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen) – stehen weniger vor einem der großen Probleme von PEMFCs – dem Problem der Katalysatorstabilität, da viel mehr unedle Metallkatalysatoren in einer alkalischen Umgebung stabil sind als in einem sauren. Die Stabilität von Katalysatoren in alkalischen Lösungen ist höher, da die Auflösung von Metallen bei niedrigem pH-Wert mehr Energie freisetzt als bei hohem pH-Wert. Der Großteil der Arbeit in diesem Labor widmet sich auch der Entwicklung neuer anodischer und kathodischer Katalysatoren für Wasserstoffoxidations- und Sauerstoffreduktionsreaktionen, um diese noch effizienter zu beschleunigen. Darüber hinaus entwickelt das Labor neue Hydroxidaustauschmembranen, da die Leitfähigkeit und Haltbarkeit solcher Membranen noch verbessert werden muss, um mit Protonenaustauschmembranen konkurrieren zu können.

Suche nach neuen Katalysatoren

Der Grund für die Überspannungsverluste bei der Sauerstoffreduktionsreaktion erklärt sich aus den linearen Skalenbeziehungen zwischen den Zwischenprodukten dieser Reaktion. Im traditionellen Vier-Elektronen-Mechanismus dieser Reaktion wird Sauerstoff sequentiell reduziert, wodurch Zwischenprodukte entstehen – OOH*, O* und OH*, um schließlich Wasser (H2O) auf der katalytischen Oberfläche zu bilden. Da die Adsorptionsenergien von Zwischenprodukten an einem einzelnen Katalysator stark miteinander korrelieren, wurde bisher kein Katalysator gefunden, der zumindest theoretisch keine Überspannungsverluste aufweisen würde. Obwohl die Geschwindigkeit dieser Reaktion gering ist, beeinflusst ein Wechsel von einem sauren Medium zu einem alkalischen Medium, wie z. B. in HEMFC, sie nicht sehr. Die Geschwindigkeit der Wasserstoffoxidationsreaktion wird jedoch fast halbiert, und diese Tatsache motiviert die Forschung, die darauf abzielt, die Ursache dieser Abnahme und die Entdeckung neuer Katalysatoren zu finden.

Vorteile von Brennstoffzellen

Im Gegensatz zu Kohlenwasserstoffbrennstoffen sind Brennstoffzellen umweltfreundlicher, wenn nicht sogar perfekt, und erzeugen aufgrund ihrer Aktivitäten keine Treibhausgase. Zudem ist ihr Brennstoff (Wasserstoff) prinzipiell erneuerbar, da er durch Hydrolyse von Wasser gewonnen werden kann. Daher versprechen Wasserstoff-Brennstoffzellen in Zukunft, ein vollwertiger Bestandteil des Energieerzeugungsprozesses zu werden, bei dem Sonnen- und Windenergie zur Herstellung von Wasserstoffbrennstoff verwendet werden, der dann in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Wasser verwendet wird. Somit schließt sich der Kreislauf und es wird kein CO2-Fußabdruck hinterlassen.

Im Gegensatz zu Akkus haben Brennstoffzellen den Vorteil, dass sie nicht aufgeladen werden müssen – sie können sofort mit der Energieversorgung beginnen, sobald diese benötigt wird. Das heißt, werden sie beispielsweise im Fahrzeugbereich eingesetzt, so ergeben sich für den Verbraucher nahezu keine Änderungen. Anders als Solarenergie und Windenergie können Brennstoffzellen kontinuierlich Energie produzieren und sind viel weniger abhängig von äußeren Bedingungen. Geothermie wiederum ist nur in bestimmten geografischen Gebieten verfügbar, während Brennstoffzellen dieses Problem wiederum nicht haben.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind aufgrund ihrer Portabilität und Flexibilität in Bezug auf den Maßstab eine der vielversprechendsten Energiequellen.

Komplexität der Wasserstoffspeicherung

Zusätzlich zu den Problemen mit den Mängeln der derzeitigen Membranen und Katalysatoren sind andere technische Schwierigkeiten für Brennstoffzellen mit der Speicherung und dem Transport von Wasserstoffbrennstoff verbunden. Wasserstoff hat eine sehr niedrige spezifische Energie pro Volumeneinheit (die Energiemenge pro Volumeneinheit bei einer gegebenen Temperatur und einem gegebenen Druck) und muss daher bei sehr hohem Druck gespeichert werden, um in Fahrzeugen verwendet zu werden. Andernfalls wird die Größe des Behälters zum Speichern der erforderlichen Kraftstoffmenge unmöglich groß. Aufgrund dieser Beschränkungen der Wasserstoffspeicherung wurden Versuche unternommen, Wege zu finden, Wasserstoff aus etwas anderem als seiner gasförmigen Form zu erzeugen, wie beispielsweise in Metallhydrid-Brennstoffzellen. Aktuelle Verbraucher-Brennstoffzellenanwendungen wie der Toyota Mirai verwenden jedoch überkritischen Wasserstoff (Wasserstoff mit Temperaturen über 33 K und Drücken über 13,3 Atmosphären, dh über kritischen Werten), und dies ist jetzt die bequemste Option.

Perspektiven der Region

Aufgrund bestehender technischer Schwierigkeiten und Probleme bei der Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser mittels Sonnenenergie wird sich die Forschung in naher Zukunft voraussichtlich hauptsächlich auf die Suche nach alternativen Wasserstoffquellen konzentrieren. Eine beliebte Idee ist es, anstelle von Wasserstoff Ammoniak (Wasserstoffnitrid) direkt in der Brennstoffzelle zu verwenden oder aus Ammoniak Wasserstoff herzustellen. Der Grund dafür ist, dass Ammoniak hinsichtlich des Drucks weniger anspruchsvoll ist, wodurch es bequemer zu lagern und zu transportieren ist. Außerdem ist Ammoniak als Wasserstoffquelle attraktiv, da es keinen Kohlenstoff enthält. Dies löst das Problem der Katalysatorvergiftung aufgrund von etwas CO in dem aus Methan erzeugten Wasserstoff.

In Zukunft könnten Brennstoffzellen breite Anwendungen in der Fahrzeugtechnik und der dezentralen Energieerzeugung finden, beispielsweise in Wohngebieten. Trotz der Tatsache, dass die Verwendung von Brennstoffzellen als Hauptenergiequelle derzeit viel Geld erfordert, können Wasserstoff-Brennstoffzellen hoch werden, wenn billigere und effizientere Katalysatoren, stabile Membranen mit hoher Leitfähigkeit und alternative Wasserstoffquellen gefunden werden wirtschaftlich attraktiv.

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Energieumwandlungsgerät, das Wasserstoff und Sauerstoff durch eine chemische Reaktion in Elektrizität umwandelt. Als Ergebnis dieses Prozesses wird Wasser gebildet und eine große Menge Wärme freigesetzt. Eine Brennstoffzelle ist einer Batterie sehr ähnlich, die aufgeladen und dann zum Speichern elektrischer Energie verwendet werden kann.
Der Erfinder der Brennstoffzelle ist William R. Grove, der sie bereits 1839 erfand. In dieser Brennstoffzelle wurde eine Lösung aus Schwefelsäure als Elektrolyt und Wasserstoff als Brennstoff verwendet, der sich in einem Oxidationsmedium mit Sauerstoff verband . Es sei darauf hingewiesen, dass Brennstoffzellen bis vor kurzem nur in Labors und auf Raumfahrzeugen verwendet wurden.
In Zukunft werden Brennstoffzellen mit vielen anderen Energieumwandlungssystemen (einschließlich Gasturbinen in Kraftwerken), Verbrennungsmotoren in Autos und elektrischen Batterien in tragbaren Geräten konkurrieren können. Verbrennungsmotoren verbrennen Kraftstoff und nutzen den Druck, der durch die Expansion von Verbrennungsgasen entsteht, um mechanische Arbeit zu verrichten. Batterien speichern elektrische Energie und wandeln sie dann in chemische Energie um, die bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Potenziell sind Brennstoffzellen sehr effizient. Bereits 1824 bewies der französische Wissenschaftler Carnot, dass die Kompressions-Expansions-Zyklen eines Verbrennungsmotors die Effizienz der Umwandlung von Wärmeenergie (das ist die chemische Energie der Verbrennung von Kraftstoff) in mechanische Energie von über 50 % nicht gewährleisten kann. Eine Brennstoffzelle hat keine beweglichen Teile (zumindest nicht innerhalb der Zelle selbst) und gehorcht daher nicht dem Gesetz von Carnot. Natürlich haben sie einen Wirkungsgrad von über 50 % und sind besonders effektiv bei niedrigen Lasten. Daher sind Brennstoffzellenfahrzeuge bereit, unter realen Fahrbedingungen kraftstoffeffizienter zu werden (und haben sich bereits als solche erwiesen).
Die Brennstoffzelle erzeugt Gleichstrom, der verwendet werden kann, um einen Elektromotor, Beleuchtungskörper und andere elektrische Systeme in einem Fahrzeug anzutreiben. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich in den verwendeten chemischen Prozessen unterscheiden. Brennstoffzellen werden normalerweise nach der Art des verwendeten Elektrolyten klassifiziert. Einige Arten von Brennstoffzellen sind vielversprechend für Kraftwerksanwendungen, während andere für kleine tragbare Geräte oder zum Antreiben von Autos nützlich sein können.
Die alkalische Brennstoffzelle ist eines der am frühesten entwickelten Elemente. Sie werden seit den 1960er Jahren vom US-Raumfahrtprogramm genutzt. Solche Brennstoffzellen sind sehr anfällig für Verunreinigungen und benötigen daher sehr reinen Wasserstoff und Sauerstoff. Außerdem sind sie sehr teuer, und daher ist es unwahrscheinlich, dass diese Art von Brennstoffzelle eine breite Anwendung in Autos finden wird.
Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure können in stationären Anlagen kleiner Leistung eingesetzt werden. Sie arbeiten bei ziemlich hohen Temperaturen und brauchen daher lange zum Aufwärmen, was sie auch für die Verwendung in Automobilen ineffizient macht.
Festoxid-Brennstoffzellen eignen sich besser für große stationäre Stromgeneratoren, die Fabriken oder Gemeinden mit Strom versorgen könnten. Dieser Brennstoffzellentyp arbeitet bei sehr hohen Temperaturen (ca. 1000 °C). Die hohe Betriebstemperatur verursacht gewisse Probleme, aber andererseits gibt es einen Vorteil – der von der Brennstoffzelle erzeugte Dampf kann zu Turbinen geleitet werden, um mehr Strom zu erzeugen. Insgesamt verbessert dies die Gesamteffizienz des Systems.
Eines der vielversprechendsten Systeme ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle – POMFC (PEMFC – Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Derzeit ist diese Art von Brennstoffzelle am vielversprechendsten, da sie Autos, Busse und andere Fahrzeuge antreiben kann.

Chemische Prozesse in einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellen nutzen einen elektrochemischen Prozess, um Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu verbinden. Brennstoffzellen verwenden wie Batterien Elektroden (feste elektrische Leiter) in einem Elektrolyten (einem elektrisch leitfähigen Medium). Wenn Wasserstoffmoleküle mit der negativen Elektrode (Anode) in Kontakt kommen, werden letztere in Protonen und Elektronen getrennt. Die Protonen gelangen durch die Protonenaustauschmembran (PEM) zur positiven Elektrode (Kathode) der Brennstoffzelle und erzeugen Strom. Als Nebenprodukt dieser Reaktion kommt es zu einer chemischen Verbindung von Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen unter Bildung von Wasser. Die einzige Art von Emissionen aus einer Brennstoffzelle ist Wasserdampf.
Die von Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität kann im elektrischen Antriebsstrang des Fahrzeugs (bestehend aus einem elektrischen Leistungswandler und einem Wechselstrominduktionsmotor) verwendet werden, um mechanische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs bereitzustellen. Die Aufgabe des Stromrichters besteht darin, den von den Brennstoffzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, der vom Fahrmotor des Fahrzeugs verwendet wird.

Schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran:
1 - Anode;
2 - Protonenaustauschmembran (REM);
3 - Katalysator (rot);
4 - Kathode

Die Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) nutzt eine der einfachsten Reaktionen aller Brennstoffzellen.

Separate Brennstoffzelle

Überlegen Sie, wie eine Brennstoffzelle funktioniert. Die Anode, der Minuspol der Brennstoffzelle, leitet die von Wasserstoffmolekülen befreiten Elektronen, so dass sie in einem äußeren Stromkreis (Stromkreis) verwendet werden können. Dazu werden Kanäle eingraviert, die den Wasserstoff gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Katalysators verteilen. Die Kathode (Pluspol der Brennstoffzelle) hat eingravierte Kanäle, die Sauerstoff über die Oberfläche des Katalysators verteilen. Außerdem leitet es Elektronen vom äußeren Kreislauf (Kreislauf) zum Katalysator zurück, wo sie sich mit Wasserstoffionen und Sauerstoff zu Wasser verbinden können. Der Elektrolyt ist eine Protonenaustauschmembran. Dies ist ein spezielles Material, ähnlich wie gewöhnlicher Kunststoff, aber mit der Fähigkeit, positiv geladene Ionen durchzulassen und den Durchgang von Elektronen zu blockieren.
Ein Katalysator ist ein spezielles Material, das die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff erleichtert. Der Katalysator besteht normalerweise aus Platinpulver, das in einer sehr dünnen Schicht auf Kohlepapier oder Kohlegewebe aufgetragen wird. Der Katalysator muss rau und porös sein, damit seine Oberfläche möglichst viel mit Wasserstoff und Sauerstoff in Kontakt kommen kann. Die mit Platin beschichtete Seite des Katalysators befindet sich vor der Protonenaustauschmembran (POM).
Wasserstoffgas (H 2 ) wird der Brennstoffzelle unter Druck von der Anodenseite zugeführt. Wenn das H2-Molekül mit dem Platin auf dem Katalysator in Kontakt kommt, spaltet es sich in zwei Teile auf, zwei Ionen (H+) und zwei Elektronen (e–). Die Elektronen werden durch die Anode geleitet, wo sie einen externen Stromkreis (Schaltung) durchlaufen, nützliche Arbeit verrichten (z. B. einen Elektromotor antreiben) und von der Kathodenseite der Brennstoffzelle zurückkehren.
Unterdessen wird von der Kathodenseite der Brennstoffzelle Sauerstoffgas (O 2 ) durch den Katalysator gepresst, wo es zwei Sauerstoffatome bildet. Jedes dieser Atome hat eine starke negative Ladung, die zwei H+-Ionen durch die Membran zieht, wo sie sich mit einem Sauerstoffatom und zwei Elektronen aus der äußeren Schleife (Kette) verbinden, um ein Wassermolekül (H 2 O) zu bilden.
Diese Reaktion in einer einzelnen Brennstoffzelle erzeugt eine Leistung von etwa 0,7 Watt. Um die Leistung auf das erforderliche Niveau zu bringen, müssen viele einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefasst werden.
POM-Brennstoffzellen arbeiten bei einer relativ niedrigen Temperatur (ca. 80 °C), was bedeutet, dass sie schnell auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden können und keine teuren Kühlsysteme benötigen. Die kontinuierliche Verbesserung der Technologie und der Materialien, die in diesen Zellen verwendet werden, hat ihre Leistung einem Niveau angenähert, bei dem eine Batterie solcher Brennstoffzellen, die einen kleinen Teil des Kofferraums eines Autos einnehmen, die zum Fahren eines Autos erforderliche Energie liefern kann.
In den vergangenen Jahren haben die meisten der weltweit führenden Automobilhersteller stark in die Entwicklung von Fahrzeugdesigns mit Brennstoffzellen investiert. Viele haben bereits Brennstoffzellenfahrzeuge mit zufriedenstellender Leistung und dynamischen Eigenschaften demonstriert, obwohl sie ziemlich teuer waren.
Die Verbesserung des Designs solcher Autos ist sehr intensiv.

Brennstoffzellenfahrzeug, verwendet ein Kraftwerk, das sich unter dem Boden des Fahrzeugs befindet

Das Fahrzeug NECAR V basiert auf dem Fahrzeug der Mercedes-Benz A-Klasse, wobei sich das gesamte Kraftwerk samt Brennstoffzellen unter dem Fahrzeugboden befindet. Eine solche konstruktive Lösung ermöglicht es, vier Passagiere und Gepäck im Auto unterzubringen. Hier wird nicht Wasserstoff, sondern Methanol als Kraftstoff für das Auto verwendet. Methanol wird mit Hilfe eines Reformers (einem Gerät, das Methanol in Wasserstoff umwandelt) in Wasserstoff umgewandelt, der für den Betrieb der Brennstoffzelle notwendig ist. Der Einsatz eines Reformers an Bord eines Autos ermöglicht es, nahezu jeden Kohlenwasserstoff als Kraftstoff zu verwenden, was es ermöglicht, ein Brennstoffzellenauto über das bestehende Tankstellennetz zu betanken. Theoretisch produzieren Brennstoffzellen nichts als Strom und Wasser. Die Umwandlung des Brennstoffs (Benzin oder Methanol) in den für die Brennstoffzelle erforderlichen Wasserstoff verringert etwas die Umweltattraktivität eines solchen Fahrzeugs.
Honda, das seit 1989 im Brennstoffzellengeschäft tätig ist, produzierte 2003 eine kleine Serie von Honda FCX-V4-Fahrzeugen mit Ballards Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen. Diese Brennstoffzellen erzeugen 78 kW elektrische Leistung, Traktionsmotoren mit einer Leistung von 60 kW und einem Drehmoment von 272 N·m treiben die Antriebsräder an, er hat eine hervorragende Dynamik und die Zufuhr von komprimiertem Wasserstoff ermöglicht den Betrieb bis 355km.

Der Honda FCX nutzt Brennstoffzellenantrieb, um sich selbst anzutreiben.
Der Honda FCX ist das weltweit erste Brennstoffzellenfahrzeug, das in den Vereinigten Staaten eine staatliche Zulassung erhalten hat. Das Auto ist ZEV-zertifiziert - Zero Emission Vehicle (Null-Emissions-Fahrzeug). Honda wird diese Autos noch nicht verkaufen, sondern etwa 30 Autos pro Einheit leasen. Kalifornien und Tokio, wo bereits eine Infrastruktur zur Wasserstoffbetankung besteht.

Das Konzeptauto Hy Wire von General Motors verfügt über ein Brennstoffzellen-Kraftwerk

Umfangreiche Forschungsarbeiten zur Entwicklung und Herstellung von Brennstoffzellenfahrzeugen werden von General Motors durchgeführt.

Hy Wire Fahrzeugchassis

Das Konzeptauto GM Hy Wire hat 26 Patente erhalten. Die Basis des Autos ist eine Funktionsplattform mit einer Dicke von 150 mm. Im Inneren der Plattform befinden sich Wasserstoffflaschen, ein Brennstoffzellen-Kraftwerk und Fahrzeugsteuerungssysteme, die die neueste elektronische Control-by-Wire-Technologie verwenden. Das Chassis des Hy Wire-Autos ist eine dünne Plattform, die alle wichtigen Strukturelemente des Autos enthält: Wasserstoffflaschen, Brennstoffzellen, Batterien, Elektromotoren und Steuersysteme. Dieser Konstruktionsansatz ermöglicht den Austausch von Karosserien im laufenden Betrieb, testet Opel-Brennstoffzellen-Versuchsfahrzeuge und konzipiert eine Brennstoffzellen-Produktionsanlage.

Design eines „sicheren“ Kraftstofftanks für Flüssigwasserstoff:
1 - Füllvorrichtung;
2 - Außentank;
3 - Stützen;
4 - Niveausensor;
5 - interner Tank;
6 - Fülllinie;
7 - Isolierung und Vakuum;
8 - Heizung;
9 - Montagebox

Dem Problem der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff für Autos wird von BMW große Aufmerksamkeit geschenkt. Zusammen mit Magna Steyer, bekannt für seine Arbeiten zur Verwendung von Flüssigwasserstoff in der Weltraumforschung, hat BMW einen Flüssigwasserstoff-Kraftstofftank entwickelt, der in Autos eingesetzt werden kann.

Tests haben die Sicherheit der Verwendung eines Kraftstofftanks mit flüssigem Wasserstoff bestätigt

Das Unternehmen führte eine Reihe von Tests zur Sicherheit der Struktur nach Standardmethoden durch und bestätigte ihre Zuverlässigkeit.
2002 wurde auf der Frankfurter Automobilausstellung (Deutschland) der Mini Cooper Hydrogen gezeigt, der verflüssigten Wasserstoff als Kraftstoff verwendet. Der Kraftstofftank dieses Autos nimmt den gleichen Platz ein wie ein herkömmlicher Benzintank. Wasserstoff wird in diesem Auto nicht für Brennstoffzellen, sondern als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren verwendet.

Das weltweit erste Serienauto mit Brennstoffzelle statt Batterie

Im Jahr 2003 kündigte BMW die Markteinführung des ersten serienmäßig hergestellten Brennstoffzellenfahrzeugs, des BMW 750 hL, an. Anstelle einer herkömmlichen Batterie wird eine Brennstoffzellenbatterie verwendet. Dieses Auto hat einen 12-Zylinder-Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff betrieben wird, und die Brennstoffzelle dient als Alternative zu einer herkömmlichen Batterie, damit die Klimaanlage und andere Verbraucher arbeiten können, wenn das Auto längere Zeit ohne Motor geparkt ist.

Die Wasserstoffbetankung übernimmt ein Roboter, der Fahrer ist an diesem Vorgang nicht beteiligt

Dieselbe Firma BMW hat auch Roboter-Kraftstoffzapfsäulen entwickelt, die ein schnelles und sicheres Betanken von Autos mit Flüssigwasserstoff ermöglichen.
Das Aufkommen einer großen Anzahl von Entwicklungen in den letzten Jahren, die darauf abzielen, Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen und alternativen Antrieben zu schaffen, zeigt, dass Verbrennungsmotoren, die Autos im vergangenen Jahrhundert dominierten, schließlich saubereren, effizienteren und leiseren Designs weichen werden. Ihrer weiten Verbreitung stehen derzeit nicht technische, sondern wirtschaftliche und soziale Probleme entgegen. Für ihre breite Nutzung ist es notwendig, eine gewisse Infrastruktur für die Entwicklung der Produktion alternativer Kraftstoffe, die Schaffung und den Vertrieb neuer Tankstellen zu schaffen und eine Reihe psychologischer Barrieren zu überwinden. Die Verwendung von Wasserstoff als Fahrzeugkraftstoff erfordert die Lösung von Problemen bei der Lagerung, Lieferung und Verteilung, wobei ernsthafte Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen.
Wasserstoff ist theoretisch unbegrenzt verfügbar, seine Herstellung ist jedoch sehr energieintensiv. Um Autos auf den Betrieb mit Wasserstoff umzustellen, müssen außerdem zwei große Änderungen im Energiesystem vorgenommen werden: Erstens die Umstellung des Betriebs von Benzin auf Methanol und dann für einige Zeit auf Wasserstoff. Es wird einige Zeit dauern, bis dieses Problem behoben ist.

Beschreibung:

Dieser Artikel geht näher auf deren Aufbau, Gliederung, Vor- und Nachteile, Umfang, Effizienz, Entstehungsgeschichte und moderne Nutzungsperspektiven ein.

Nutzung von Brennstoffzellen zur Energieversorgung von Gebäuden

Teil 1

In diesem Artikel werden das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen, ihre Konstruktion, Klassifizierung, Vor- und Nachteile, Umfang, Effizienz, Entstehungsgeschichte und moderne Einsatzmöglichkeiten ausführlicher behandelt. Im zweiten Teil des Artikels, das in der nächsten Ausgabe des ABOK-Magazins erscheint, zeigt Beispiele für Anlagen, in denen verschiedene Arten von Brennstoffzellen als Wärme- und Stromquelle (oder nur Strom) genutzt wurden.

Einführung

Brennstoffzellen sind eine sehr effiziente, zuverlässige, langlebige und umweltfreundliche Art der Energieerzeugung.

Anfänglich nur in der Raumfahrt eingesetzt, werden Brennstoffzellen heute zunehmend in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt – etwa in stationären Kraftwerken, Wärme- und Stromversorgung von Gebäuden, Fahrzeugmotoren, Stromversorgung von Laptops und Mobiltelefonen. Einige dieser Geräte sind Laborprototypen, einige befinden sich in der Vorserienprüfung oder werden zu Demonstrationszwecken verwendet, aber viele Modelle werden in Massenproduktion hergestellt und in kommerziellen Projekten eingesetzt.

Eine Brennstoffzelle (elektrochemischer Generator) ist ein Gerät, das die chemische Energie eines Brennstoffs (Wasserstoff) während einer elektrochemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umwandelt, im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien, die die Verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen verwenden. Die direkte elektrochemische Umwandlung von Brennstoff ist sehr effizient und aus ökologischer Sicht attraktiv, da im Betrieb nur minimale Schadstoffe freigesetzt werden und keine starken Geräusche und Vibrationen auftreten.

Aus praktischer Sicht ähnelt eine Brennstoffzelle einer herkömmlichen galvanischen Batterie. Der Unterschied liegt darin, dass die Batterie zunächst geladen, also mit „Treibstoff“ gefüllt wird. Während des Betriebs wird „Kraftstoff“ verbraucht und die Batterie entladen. Im Gegensatz zu einer Batterie nutzt eine Brennstoffzelle Brennstoff, der von einer externen Quelle zugeführt wird, um elektrische Energie zu erzeugen (Abb. 1).

Zur Erzeugung elektrischer Energie kann nicht nur reiner Wasserstoff verwendet werden, sondern auch andere wasserstoffhaltige Rohstoffe wie Erdgas, Ammoniak, Methanol oder Benzin. Gewöhnliche Luft wird als Sauerstoffquelle verwendet, die auch für die Reaktion notwendig ist.

Bei der Verwendung von reinem Wasserstoff als Brennstoff sind die Reaktionsprodukte neben elektrischer Energie Wärme und Wasser (bzw. Wasserdampf), d.h. es werden keine Gase in die Atmosphäre abgegeben, die eine Luftverschmutzung oder einen Treibhauseffekt verursachen. Wenn ein wasserstoffhaltiges Ausgangsmaterial wie Erdgas als Brennstoff verwendet wird, sind andere Gase wie Kohlenstoff- und Stickstoffoxide ein Nebenprodukt der Reaktion, aber ihre Menge ist viel geringer als bei der Verbrennung derselben Menge Erdgas.

Den Prozess der chemischen Umwandlung von Brennstoff zur Erzeugung von Wasserstoff nennt man Reformieren, die entsprechende Vorrichtung Reformer.

Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind energieeffizienter als Verbrennungsmotoren, da es keine thermodynamische Begrenzung der Energieeffizienz für Brennstoffzellen gibt. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt 50 %, während der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren 12-15 % beträgt und der Wirkungsgrad von Dampfturbinenkraftwerken 40 % nicht überschreitet. Durch die Nutzung von Wärme und Wasser wird die Effizienz von Brennstoffzellen weiter gesteigert.

Im Gegensatz zu beispielsweise Verbrennungsmotoren bleibt der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auch dann sehr hoch, wenn sie nicht mit voller Leistung arbeiten. Zudem lässt sich die Leistung von Brennstoffzellen durch einfaches Hinzufügen einzelner Blöcke steigern, wobei sich der Wirkungsgrad nicht ändert, d.h. große Anlagen sind genauso effizient wie kleine. Diese Umstände erlauben eine sehr flexible Wahl der Gerätezusammenstellung nach Kundenwunsch und führen letztlich zu einer Reduzierung der Gerätekosten.

Ein wichtiger Vorteil von Brennstoffzellen ist ihre Umweltfreundlichkeit. Luftemissionen von Brennstoffzellen sind so gering, dass sie in einigen Gebieten der Vereinigten Staaten keine Sondergenehmigungen von staatlichen Luftqualitätsbehörden erfordern.

Brennstoffzellen können direkt im Gebäude platziert werden, wodurch die Verluste beim Energietransport reduziert werden, und die durch die Reaktion erzeugte Wärme kann verwendet werden, um das Gebäude mit Wärme oder Warmwasser zu versorgen. Autarke Wärme- und Stromversorgungsquellen können in abgelegenen Gebieten und in Regionen, die durch Stromknappheit und -kosten gekennzeichnet sind, aber gleichzeitig Reserven an wasserstoffhaltigen Rohstoffen (Erdöl, Erdgas) haben, sehr vorteilhaft sein. .

Die Vorteile von Brennstoffzellen sind auch die Verfügbarkeit von Brennstoff, Zuverlässigkeit (es gibt keine beweglichen Teile in der Brennstoffzelle), Langlebigkeit und einfache Bedienung.

Einer der Hauptnachteile von Brennstoffzellen heute sind ihre relativ hohen Kosten, aber dieser Mangel kann bald überwunden werden - immer mehr Unternehmen produzieren kommerzielle Muster von Brennstoffzellen, sie werden ständig verbessert und ihre Kosten sinken.

Die möglichst effiziente Nutzung von reinem Wasserstoff als Kraftstoff erfordert jedoch die Schaffung einer speziellen Infrastruktur für dessen Herstellung und Transport. Derzeit verwenden alle kommerziellen Konstruktionen Erdgas und ähnliche Brennstoffe. Kraftfahrzeuge können normales Benzin verwenden, wodurch das bestehende ausgebaute Tankstellennetz aufrechterhalten werden kann. Die Verwendung eines solchen Brennstoffs führt jedoch zu schädlichen Emissionen in die Atmosphäre (wenn auch sehr gering) und verkompliziert (und erhöht daher die Kosten) der Brennstoffzelle. Zukünftig wird über die Möglichkeit nachgedacht, umweltfreundliche erneuerbare Energiequellen (z. B. Sonnenenergie oder Windenergie) zu nutzen, um Wasser per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen und den dabei entstehenden Brennstoff in einer Brennstoffzelle umzuwandeln. Solche kombinierten Anlagen, die in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten, können eine absolut umweltfreundliche, zuverlässige, langlebige und effiziente Energiequelle sein.

Eine weitere Eigenschaft von Brennstoffzellen ist, dass sie am effizientesten sind, wenn sie gleichzeitig elektrische und thermische Energie nutzen. Die Möglichkeit der thermischen Energienutzung ist jedoch nicht in jeder Anlage vorhanden. Bei der reinen Nutzung von Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie sinkt deren Wirkungsgrad, übersteigt aber den Wirkungsgrad „herkömmlicher“ Anlagen.

Geschichte und moderne Verwendung von Brennstoffzellen

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen wurde 1839 entdeckt. Der englische Wissenschaftler William Robert Grove (1811-1896) entdeckte, dass der Prozess der Elektrolyse – die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischem Strom – reversibel ist, d.h. Wasserstoff und Sauerstoff können ohne zu verbrennen, aber zu Wassermolekülen verbunden werden unter Freisetzung von Wärme und elektrischem Strom. Grove nannte das Gerät, in dem eine solche Reaktion durchgeführt wurde, eine „Gasbatterie“, die die erste Brennstoffzelle war.

Die aktive Entwicklung von Brennstoffzellentechnologien begann nach dem Zweiten Weltkrieg und ist mit der Luft- und Raumfahrtindustrie verbunden. Damals wurde nach einer effizienten und zuverlässigen, aber gleichzeitig recht kompakten Energiequelle gesucht. In den 1960er Jahren wählten NASA-Spezialisten (National Aeronautics and Space Administration, NASA) Brennstoffzellen als Energiequelle für Raumfahrzeuge der Programme Apollo (bemannte Flüge zum Mond), Apollo-Sojus, Gemini und Skylab. Der Apollo verwendete drei 1,5-kW-Einheiten (2,2 kW Spitzenleistung), die kryogenen Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasser verwendeten. Die Masse jeder Installation betrug 113 kg. Diese drei Zellen arbeiteten parallel, aber die von einer Einheit erzeugte Energie reichte für eine sichere Rückkehr. Bei 18 Flügen haben die Brennstoffzellen insgesamt 10.000 Stunden ohne Ausfälle absolviert. Derzeit werden Brennstoffzellen in der Raumfähre „Space Shuttle“ eingesetzt, die drei Einheiten mit einer Leistung von 12 W verwendet, die die gesamte elektrische Energie an Bord des Raumfahrzeugs erzeugen (Abb. 2). Das durch eine elektrochemische Reaktion gewonnene Wasser wird als Trinkwasser sowie für Kühlgeräte verwendet.

In unserem Land wurde auch daran gearbeitet, Brennstoffzellen für den Einsatz in der Raumfahrt zu entwickeln. Zum Beispiel wurden Brennstoffzellen verwendet, um die sowjetische Raumfähre Buran anzutreiben.

Die Entwicklung von Verfahren zur kommerziellen Nutzung von Brennstoffzellen begann Mitte der 1960er Jahre. Diese Entwicklungen wurden teilweise von Regierungsorganisationen finanziert.

Derzeit geht die Entwicklung von Technologien für den Einsatz von Brennstoffzellen in mehrere Richtungen. Dies ist die Schaffung von stationären Kraftwerken mit Brennstoffzellen (sowohl für die zentrale als auch für die dezentrale Energieversorgung), Kraftwerken von Fahrzeugen (Proben von Autos und Bussen mit Brennstoffzellen wurden erstellt, auch in unserem Land) (Abb. 3) und auch Netzteile für diverse mobile Geräte (Laptops, Handys etc.) (Abb. 4).

Beispiele für den Einsatz von Brennstoffzellen in verschiedenen Bereichen sind in Tabelle angegeben. ein.

Eines der ersten kommerziellen Modelle von Brennstoffzellen, die für die autonome Wärme- und Stromversorgung von Gebäuden entwickelt wurden, war das PC25 Modell A, hergestellt von der ONSI Corporation (jetzt United Technologies, Inc.). Diese Brennstoffzelle mit einer Nennleistung von 200 kW gehört zum Typ der Zellen mit einem Elektrolyt auf Basis von Phosphorsäure (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Die Zahl "25" im Namen des Modells bedeutet die Seriennummer des Designs. Die meisten Vorgängermodelle waren Versuchs- oder Teststücke, wie das 12,5-kW-Modell "PC11", das in den 1970er Jahren erschien. Die neuen Modelle erhöhten die aus einer einzelnen Brennstoffzelle entnommene Leistung und senkten auch die Kosten pro erzeugtem Kilowatt Energie. Derzeit ist eines der effizientesten kommerziellen Modelle die Brennstoffzelle PC25 Model C. Wie bei Modell „A“ handelt es sich um eine vollautomatische 200-kW-Brennstoffzelle vom Typ PAFC, die als unabhängige Wärme- und Stromquelle direkt am gewarteten Objekt installiert werden kann. Eine solche Brennstoffzelle kann außerhalb des Gebäudes installiert werden. Äußerlich ist es ein Quader mit einer Länge von 5,5 m, einer Breite von 3 m und einer Höhe von 3 m und einem Gewicht von 18.140 kg. Der Unterschied zu den Vorgängermodellen ist ein verbesserter Reformer und eine höhere Stromdichte.

Tabelle 1 Anwendungsbereich von Brennstoffzellen

Region Anwendungen Bewertet Energie Anwendungsbeispiele Stationär Installationen 5–250 kW und höher Autonome Wärme- und Stromversorgung für Wohn-, öffentliche und Industriegebäude, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Backup- und Notstromversorgungen tragbar Installationen 1–50 kW Straßenschilder, Kühllastwagen und Eisenbahnen, Rollstühle, Golfkarren, Raumfahrzeuge und Satelliten Handy, Mobiltelefon Installationen 25–150 kW Autos (Prototypen entstanden z. B. von DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), Busse (z. B. MAN, Neoplan, Renault) und andere Fahrzeuge, Kriegsschiffe und U-Boote Mikrogeräte 1-500W Mobiltelefone, Laptops, PDAs, verschiedene Unterhaltungselektronikgeräte, moderne militärische Geräte

Bei manchen Brennstoffzellentypen lässt sich der chemische Prozess umkehren: Durch Anlegen einer Potentialdifferenz an die Elektroden kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden, die sich an porösen Elektroden sammeln. Wenn eine Last angeschlossen wird, beginnt eine solche regenerative Brennstoffzelle, elektrische Energie zu erzeugen.

Eine vielversprechende Richtung für den Einsatz von Brennstoffzellen ist ihre Verwendung in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen, wie beispielsweise Photovoltaikmodulen oder Windturbinen. Mit dieser Technologie können Sie Luftverschmutzung vollständig vermeiden. Ein ähnliches System soll zB beim Adam Joseph Lewis Training Center in Oberlin entstehen (vgl. ABOK, 2002, Nr. 5, S. 10). Derzeit werden Sonnenkollektoren als eine der Energiequellen in diesem Gebäude verwendet. Zusammen mit NASA-Spezialisten wurde ein Projekt entwickelt, um mithilfe von Photovoltaikmodulen Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser durch Elektrolyse herzustellen. Der Wasserstoff wird dann in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie und Warmwasser genutzt. Dadurch kann das Gebäude die Leistung aller Systeme an bewölkten Tagen und in der Nacht aufrechterhalten.

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen

Betrachten wir als Beispiel das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle am einfachsten Element mit einer Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane, PEM). Ein solches Element besteht aus einer Polymermembran, die zwischen der Anode (positive Elektrode) und der Kathode (negative Elektrode) zusammen mit den Anoden- und Kathodenkatalysatoren angeordnet ist. Als Elektrolyt wird eine Polymermembran verwendet. Das Diagramm des PEM-Elements ist in Abb. 1 dargestellt. 5.

Eine Protonenaustauschmembran (PEM) ist eine dünne (ungefähr 2–7 Blätter Normalpapier dick) feste organische Verbindung. Diese Membran fungiert als Elektrolyt: Sie trennt Materie in Gegenwart von Wasser in positiv und negativ geladene Ionen.

An der Anode findet ein oxidativer Prozess statt, an der Kathode ein Reduktionsprozess. Die Anode und Kathode in der PEM-Zelle bestehen aus einem porösen Material, das eine Mischung aus Kohlenstoff- und Platinpartikeln ist. Platin wirkt als Katalysator, der die Dissoziationsreaktion fördert. Die Anode und die Kathode sind für den freien Durchgang von Wasserstoff bzw. Sauerstoff porös gemacht.

Anode und Kathode sind zwischen zwei Metallplatten angeordnet, die Anode und Kathode mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgen und Wärme und Wasser sowie elektrische Energie abführen.

Wasserstoffmoleküle gelangen durch die Kanäle in der Platte zur Anode, wo die Moleküle in einzelne Atome zerfallen (Abb. 6).

	Abbildung 5 () Schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM).
	Abbildung 6 () Wasserstoffmoleküle treten durch die Kanäle in der Platte in die Anode ein, wo die Moleküle in einzelne Atome zerlegt werden
	Abbildung 7 () Durch Chemisorption in Gegenwart eines Katalysators werden Wasserstoffatome in Protonen umgewandelt
	Abbildung 8 () Positiv geladene Wasserstoffionen diffundieren durch die Membran zur Kathode, und der Elektronenfluss wird durch einen externen Stromkreis, an den die Last angeschlossen ist, zur Kathode geleitet.
	Abbildung 9 () Der Kathode zugeführter Sauerstoff geht in Gegenwart eines Katalysators eine chemische Reaktion mit Wasserstoffionen aus der Protonenaustauschmembran und Elektronen aus dem äußeren Stromkreis ein. Wasser entsteht durch eine chemische Reaktion

Anschließend werden durch Chemisorption in Gegenwart eines Katalysators Wasserstoffatome, die jeweils ein Elektron e - abgeben, in positiv geladene Wasserstoffionen H + , also Protonen, umgewandelt (Abb. 7).

Positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) diffundieren durch die Membran zur Kathode, und der Elektronenfluss wird durch einen externen Stromkreis, an den die Last (Verbraucher elektrischer Energie) angeschlossen ist, zur Kathode geleitet (Abb. 8).

Der Kathode zugeführter Sauerstoff geht in Anwesenheit eines Katalysators eine chemische Reaktion mit Wasserstoffionen (Protonen) aus der Protonenaustauschmembran und Elektronen aus dem äußeren Stromkreis ein (Abb. 9). Als Ergebnis einer chemischen Reaktion entsteht Wasser.

Die chemische Reaktion in einer Brennstoffzelle anderer Art (beispielsweise mit einem sauren Elektrolyten, der eine Lösung von Phosphorsäure H 3 PO 4 ist) ist absolut identisch mit der chemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran.

In jeder Brennstoffzelle wird ein Teil der Energie einer chemischen Reaktion als Wärme freigesetzt.

Der Elektronenfluss in einem äußeren Stromkreis ist ein Gleichstrom, mit dem Arbeit verrichtet wird. Das Öffnen des externen Kreislaufs oder das Stoppen der Bewegung von Wasserstoffionen stoppt die chemische Reaktion.

Die Menge an elektrischer Energie, die eine Brennstoffzelle erzeugt, hängt von der Art der Brennstoffzelle, den geometrischen Abmessungen, der Temperatur und dem Gasdruck ab. Eine einzelne Brennstoffzelle liefert eine EMK von weniger als 1,16 V. Es ist möglich, die Größe der Brennstoffzellen zu erhöhen, aber in der Praxis werden mehrere Zellen verwendet, die in Batterien verbunden sind (Abb. 10).

Brennstoffzellengerät

Betrachten wir das Brennstoffzellengerät am Beispiel des Modells PC25 Model C. Das Schema der Brennstoffzelle ist in Abb. 1 dargestellt. elf.

Die Brennstoffzelle „PC25 Model C“ besteht aus drei Hauptteilen: dem Brennstoffprozessor, dem eigentlichen Stromerzeugungsteil und dem Spannungswandler.

Der Hauptteil der Brennstoffzelle – der Stromerzeugungsteil – ist ein Stapel, der aus 256 einzelnen Brennstoffzellen besteht. Die Zusammensetzung der Brennstoffzellenelektroden umfasst einen Platinkatalysator. Durch diese Zellen wird bei einer Spannung von 155 Volt ein elektrischer Gleichstrom von 1.400 Ampere erzeugt. Die Abmessungen der Batterie betragen ca. 2,9 m Länge und 0,9 m Breite und Höhe.

Da der elektrochemische Prozess bei einer Temperatur von 177 °C stattfindet, ist es notwendig, die Batterie zum Zeitpunkt des Starts zu erwärmen und ihr während des Betriebs Wärme zu entziehen. Dazu verfügt die Brennstoffzelle über einen separaten Wasserkreislauf und die Batterie ist mit speziellen Kühlplatten ausgestattet.

Mit dem Brennstoffprozessor können Sie Erdgas in Wasserstoff umwandeln, der für eine elektrochemische Reaktion erforderlich ist. Dieser Vorgang wird Reformieren genannt. Das Hauptelement des Brennstoffprozessors ist der Reformer. Im Reformer reagiert Erdgas (oder ein anderer wasserstoffhaltiger Brennstoff) mit Wasserdampf bei hoher Temperatur (900 °C) und hohem Druck in Gegenwart eines Nickelkatalysators. Folgende chemische Reaktionen finden statt:

CH 4 (Methan) + H 2 O 3 H 2 + CO

(Reaktion endotherm, mit Wärmeaufnahme);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(Die Reaktion ist exotherm, wobei Wärme freigesetzt wird).

Die Gesamtreaktion wird durch die Gleichung ausgedrückt:

CH 4 (Methan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(Reaktion endotherm, mit Wärmeaufnahme).

Um die für die Erdgasumwandlung erforderliche hohe Temperatur bereitzustellen, wird ein Teil des abgebrannten Brennstoffs aus dem Brennstoffzellenstapel zu einem Brenner geleitet, der den Reformer auf der gewünschten Temperatur hält.

Der für die Reformierung benötigte Wasserdampf wird aus dem beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehenden Kondensat erzeugt. Dabei wird die dem Brennstoffzellenstack entzogene Wärme genutzt (Bild 12).

Der Brennstoffzellenstapel erzeugt einen intermittierenden Gleichstrom, der durch niedrige Spannung und hohen Strom gekennzeichnet ist. Ein Spannungswandler wird verwendet, um es in Industriestandard-Wechselstrom umzuwandeln. Darüber hinaus enthält die Spannungswandlereinheit verschiedene Steuergeräte und Sicherheitsverriegelungsschaltungen, die es ermöglichen, die Brennstoffzelle bei verschiedenen Fehlern abzuschalten.

In einer solchen Brennstoffzelle können etwa 40 % der Energie des Brennstoffs in elektrische Energie umgewandelt werden. In etwa die gleiche Menge, etwa 40 % der Brennstoffenergie, kann umgewandelt werden, die dann als Wärmequelle für Heizung, Warmwasserbereitung und ähnliche Zwecke genutzt wird. Somit kann der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage 80 % erreichen.

Ein wichtiger Vorteil einer solchen Wärme- und Stromquelle ist die Möglichkeit ihres automatischen Betriebs. Für die Wartung müssen die Eigentümer der Anlage, auf der die Brennstoffzelle installiert ist, kein speziell geschultes Personal vorhalten – die periodische Wartung kann durch Mitarbeiter der Betreiberorganisation durchgeführt werden.

Brennstoffzellen-Typen

Derzeit sind mehrere Typen von Brennstoffzellen bekannt, die sich in der Zusammensetzung des verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Die folgenden vier Typen sind am weitesten verbreitet (Tabelle 2):

1. Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Brennstoffzellen auf Basis von Orthophosphorsäure (Phosphorsäure) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Brennstoffzellen auf Basis von geschmolzenem Karbonat (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Derzeit wird die größte Flotte von Brennstoffzellen auf Basis der PAFC-Technologie gebaut.

Eine der wichtigsten Eigenschaften verschiedener Arten von Brennstoffzellen ist die Betriebstemperatur. In vielerlei Hinsicht ist es die Temperatur, die den Einsatzbereich von Brennstoffzellen bestimmt. Beispielsweise sind hohe Temperaturen für Laptops kritisch, daher werden für dieses Marktsegment Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen mit niedrigen Betriebstemperaturen entwickelt.

Zur autarken Energieversorgung von Gebäuden werden Brennstoffzellen mit hoher installierter Leistung benötigt und gleichzeitig ist die Nutzung thermischer Energie möglich, daher können für diese Zwecke auch Brennstoffzellen anderer Art eingesetzt werden.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC)

Diese Brennstoffzellen arbeiten bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen (60–160°C). Sie zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte aus, ermöglichen eine schnelle Anpassung der Ausgangsleistung und lassen sich schnell einschalten. Der Nachteil dieser Art von Elementen sind die hohen Anforderungen an die Kraftstoffqualität, da verunreinigter Kraftstoff die Membran beschädigen kann. Die Nennleistung derartiger Brennstoffzellen beträgt 1-100 kW.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wurden ursprünglich von der General Electric Corporation in den 1960er Jahren für die NASA entwickelt. Diese Art von Brennstoffzelle verwendet einen Festkörper-Polymerelektrolyten, der als Proton Exchange Membrane (PEM) bezeichnet wird. Protonen können sich durch die Protonenaustauschmembran bewegen, aber Elektronen können sie nicht passieren, was zu einer Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode führt. Aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit wurden solche Brennstoffzellen als Energiequelle auf dem bemannten Gemini-Raumschiff verwendet.

Diese Art von Brennstoffzelle wird als Energiequelle für eine Vielzahl von Geräten verwendet, einschließlich Prototypen und Prototypen, von Mobiltelefonen über Busse bis hin zu stationären Stromversorgungssystemen. Die niedrige Betriebstemperatur ermöglicht die Verwendung solcher Zellen zur Versorgung verschiedener Arten komplexer elektronischer Geräte. Weniger effizient ist ihre Verwendung als Wärme- und Stromversorgungsquelle für öffentliche und industrielle Gebäude, wo große Mengen an thermischer Energie benötigt werden. Gleichzeitig sind solche Elemente vielversprechend als autonome Energiequelle für kleine Wohngebäude wie Cottages, die in Regionen mit heißem Klima gebaut werden.

Tabelle 2 Brennstoffzellen-Typen

Gegenstandsart Arbeitskräfte Temperatur, °С Effizienzleistung elektrisch Energie), % Gesamt Effizienz, % Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Brennstoffzellen auf der Basis von Orthophosphorsäure (Phosphor)säure (PAFC) 150–200 35 70–80 Brennstoffzellen basiert geschmolzenes Karbonat (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Festkörperoxid Brennstoffzellen (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC)

Tests mit Brennstoffzellen dieses Typs wurden bereits in den frühen 1970er Jahren durchgeführt. Betriebstemperaturbereich - 150-200 °C. Das Haupteinsatzgebiet sind autonome Wärmequellen und Stromversorgungen mittlerer Leistung (ca. 200 kW).

Der in diesen Brennstoffzellen verwendete Elektrolyt ist eine Lösung aus Phosphorsäure. Die Elektroden bestehen aus mit Kohlenstoff beschichtetem Papier, in dem ein Platinkatalysator dispergiert ist.

Der elektrische Wirkungsgrad von PAFC-Brennstoffzellen beträgt 37-42 %. Da diese Brennstoffzellen jedoch bei einer ausreichend hohen Temperatur arbeiten, ist es möglich, den als Ergebnis des Betriebs erzeugten Dampf zu verwenden. In diesem Fall kann der Gesamtwirkungsgrad 80 % erreichen.

Zur Energiegewinnung muss der wasserstoffhaltige Einsatzstoff durch einen Reformierungsprozess in reinen Wasserstoff umgewandelt werden. Wird beispielsweise Benzin als Kraftstoff verwendet, müssen Schwefelverbindungen entfernt werden, da Schwefel den Platinkatalysator schädigen kann.

PAFC-Brennstoffzellen waren die ersten wirtschaftlich gerechtfertigten kommerziellen Brennstoffzellen. Das gebräuchlichste Modell war die 200-kW-PC25-Brennstoffzelle, die von der ONSI Corporation (jetzt United Technologies, Inc.) hergestellt wird (Abb. 13). Diese Elemente werden beispielsweise als Wärme- und Stromquelle in einer Polizeistation im New Yorker Central Park oder als zusätzliche Energiequelle für das Conde Nast Building & Four Times Square verwendet. Die größte Anlage dieser Art wird als 11-MW-Kraftwerk in Japan getestet.

Auch in Fahrzeugen werden Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure als Energiequelle eingesetzt. So statteten H-Power Corp., die Georgetown University und das US-Energieministerium 1994 einen Bus mit einem 50-kW-Kraftwerk aus.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC)

Brennstoffzellen dieses Typs arbeiten bei sehr hohen Temperaturen – 600–700 °C. Diese Betriebstemperaturen ermöglichen die Nutzung des Brennstoffs direkt in der Zelle selbst, ohne dass ein separater Reformer erforderlich ist. Dieser Vorgang wird als "internes Reforming" bezeichnet. Es erlaubt, das Design der Brennstoffzelle erheblich zu vereinfachen.

Auf geschmolzenem Karbonat basierende Brennstoffzellen benötigen eine erhebliche Anlaufzeit und erlauben keine schnelle Anpassung der Ausgangsleistung, sodass ihr Hauptanwendungsgebiet große stationäre Wärme- und Stromquellen sind. Sie zeichnen sich jedoch durch eine hohe Brennstoffumwandlungseffizienz aus – 60 % elektrischer Wirkungsgrad und bis zu 85 % Gesamtwirkungsgrad.

Bei diesem Brennstoffzellentyp besteht der Elektrolyt aus Kaliumcarbonat- und Lithiumcarbonatsalzen, die auf etwa 650 °C erhitzt werden. Unter diesen Bedingungen befinden sich die Salze in einem geschmolzenen Zustand und bilden einen Elektrolyten. An der Anode interagiert Wasserstoff mit CO 3 -Ionen, bildet Wasser, Kohlendioxid und setzt Elektronen frei, die an den externen Kreislauf gesendet werden, und an der Kathode interagiert Sauerstoff mit Kohlendioxid und Elektronen aus dem externen Kreislauf, wodurch wiederum CO 3 -Ionen gebildet werden.

Laborproben von Brennstoffzellen dieses Typs wurden Ende der 1950er Jahre von den niederländischen Wissenschaftlern G. H. J. Broers und J. A. A. Ketelaar hergestellt. In den 1960er Jahren arbeitete der Ingenieur Francis T. Bacon, ein Nachkomme eines berühmten englischen Schriftstellers und Wissenschaftlers aus dem 17. Jahrhundert, mit diesen Elementen, weshalb MCFC-Brennstoffzellen manchmal als Bacon-Elemente bezeichnet werden. Die Apollo-, Apollo-Sojus- und Scylab-Programme der NASA verwendeten genau solche Brennstoffzellen als Energiequelle (Abb. 14). In denselben Jahren testete das US-Militärministerium mehrere Muster von MCFC-Brennstoffzellen, die von Texas Instruments hergestellt wurden und in denen Benzin in Armeequalität als Kraftstoff verwendet wurde. Mitte der 1970er Jahre begann das US-Energieministerium mit der Forschung zur Entwicklung einer praxistauglichen stationären Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle. In den 1990er Jahren wurden mehrere kommerzielle Einheiten mit einer Leistung von bis zu 250 kW in Betrieb genommen, beispielsweise auf der US Naval Air Station Miramar in Kalifornien. 1996 wurde FuelCell Energy, Inc. eine 2-MW-Vorserienanlage in Santa Clara, Kalifornien, in Betrieb genommen.

Festkörperoxid-Brennstoffzellen (SOFC)

Festkörperoxidbrennstoffzellen sind einfach aufgebaut und arbeiten bei sehr hohen Temperaturen – 700–1000 °C. Solche hohen Temperaturen ermöglichen die Verwendung von relativ "schmutzigem", nicht raffiniertem Kraftstoff. Gleiche Eigenschaften wie bei Brennstoffzellen auf Basis von Schmelzkarbonat bestimmen ein ähnliches Einsatzgebiet – große stationäre Wärme- und Stromquellen.

Festoxidbrennstoffzellen unterscheiden sich strukturell von Brennstoffzellen, die auf PAFC- und MCFC-Technologien basieren. Anode, Kathode und Elektrolyt bestehen aus speziellen Keramiksorten. Als Elektrolyt wird meistens eine Mischung aus Zirkoniumoxid und Calciumoxid verwendet, es können aber auch andere Oxide verwendet werden. Der Elektrolyt bildet ein beidseitig mit porösem Elektrodenmaterial beschichtetes Kristallgitter. Strukturell werden solche Elemente in Form von Rohren oder flachen Platten hergestellt, was es ermöglicht, Technologien zu verwenden, die in der Elektronikindustrie bei ihrer Herstellung weit verbreitet sind. Infolgedessen können Festkörperoxid-Brennstoffzellen bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, was sie sowohl für die elektrische als auch für die thermische Energieerzeugung vorteilhaft macht.

Bei hohen Betriebstemperaturen bilden sich an der Kathode Sauerstoffionen, die durch das Kristallgitter zur Anode wandern, wo sie mit Wasserstoffionen in Wechselwirkung treten, Wasser bilden und freie Elektronen freisetzen. Dabei wird Wasserstoff direkt in der Zelle aus Erdgas freigesetzt, d. h. ein separater Reformer ist nicht erforderlich.

Die theoretischen Grundlagen für die Entwicklung von Festkörperoxid-Brennstoffzellen wurden Ende der 1930er Jahre gelegt, als die Schweizer Wissenschaftler Bauer (Emil Bauer) und Preis (H. Preis) mit Zirkonium, Yttrium, Cer, Lanthan und Wolfram experimentierten und sie verwendeten als Elektrolyte.

Die ersten Prototypen solcher Brennstoffzellen wurden Ende der 1950er Jahre von einer Reihe amerikanischer und niederländischer Unternehmen hergestellt. Die meisten dieser Unternehmen gaben die weitere Forschung aufgrund technologischer Schwierigkeiten bald auf, aber eines von ihnen, Westinghouse Electric Corp. (jetzt "Siemens Westinghouse Power Corporation"), Fortsetzung der Arbeit. Das Unternehmen nimmt derzeit Vorbestellungen für ein kommerzielles Modell einer Festoxid-Brennstoffzelle mit röhrenförmiger Topologie an, das in diesem Jahr erwartet wird (Abbildung 15). Das Marktsegment solcher Elemente sind stationäre Anlagen zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie mit einer Leistung von 250 kW bis 5 MW.

Brennstoffzellen vom SOFC-Typ haben eine sehr hohe Zuverlässigkeit gezeigt. Beispielsweise hat eine Prototyp-Brennstoffzelle von Siemens Westinghouse 16.600 Stunden protokolliert und läuft weiter, was sie zur längsten ununterbrochenen Lebensdauer einer Brennstoffzelle der Welt macht.

Der Hochtemperatur-Hochdruck-Betriebsmodus von SOFC-Brennstoffzellen ermöglicht die Schaffung von Hybridanlagen, in denen Brennstoffzellenemissionen Gasturbinen antreiben, die zur Stromerzeugung verwendet werden. Die erste derartige Hybridanlage ist in Irvine, Kalifornien, in Betrieb. Die Nennleistung dieser Anlage beträgt 220 kW, davon 200 kW aus der Brennstoffzelle und 20 kW aus dem Mikroturbinengenerator.

Niemand wird von Sonnenkollektoren oder Windmühlen überrascht sein, die in allen Regionen der Welt Strom erzeugen. Aber die Leistung dieser Geräte ist nicht konstant und es ist notwendig, Notstromquellen zu installieren oder sich an das Netz anzuschließen, um während der Zeit, in der Anlagen für erneuerbare Energien keinen Strom erzeugen, Strom zu erhalten. Es gibt jedoch im 19. Jahrhundert entwickelte Anlagen, die „alternative“ Brennstoffe zur Stromerzeugung verwenden, also weder Gas noch Ölprodukte verbrennen. Solche Anlagen sind Brennstoffzellen.

SCHÖPFUNGSGESCHICHTE

Brennstoffzellen (FC) oder Brennstoffzellen wurden bereits 1838-1839 von William Grove (Grow, Grove) entdeckt, als er die Elektrolyse von Wasser untersuchte.

Hinweis: Elektrolyse von Wasser ist der Prozess der Zersetzung von Wasser unter Einwirkung von elektrischem Strom in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle.

Als er die Batterie von der Elektrolysezelle trennte, stellte er überrascht fest, dass die Elektroden begannen, das freigesetzte Gas zu absorbieren und Strom zu erzeugen. Die Entdeckung des Prozesses der elektrochemischen „kalten“ Verbrennung von Wasserstoff ist zu einem bedeutenden Ereignis in der Energiewirtschaft geworden. Später schuf er den Grove-Akkumulator. Diese Vorrichtung hatte eine in Salpetersäure eingetauchte Platinelektrode und eine Zinkelektrode in Zinksulfat. Es erzeugte einen Strom von 12 Ampere und eine Spannung von 8 Volt. Grow selbst nannte diese Konstruktion „Nassbatterie“. Dann schuf er eine Batterie mit zwei Platinelektroden. Ein Ende jeder Elektrode befand sich in Schwefelsäure, während die anderen Enden in Behältern mit Wasserstoff und Sauerstoff versiegelt waren. Es gab einen stabilen Strom zwischen den Elektroden und die Wassermenge in den Behältern nahm zu. Grow konnte das Wasser in diesem Gerät zersetzen und verbessern.

"Grows Batterie"

(Quelle: Royal Society of the National Museum of Natural History)

Der Begriff „Brennstoffzelle“ (engl. „Fuel Cell“) tauchte erst 1889 von L. Mond auf
Ch. Langer, der versuchte, ein Gerät zur Stromerzeugung aus Luft und Kohlegas zu schaffen.

WIE ES FUNKTIONIERT?

Die Brennstoffzelle ist ein relativ einfaches Gerät. Es hat zwei Elektroden: eine Anode (negative Elektrode) und eine Kathode (positive Elektrode). An den Elektroden findet eine chemische Reaktion statt. Zur Beschleunigung ist die Oberfläche der Elektroden mit einem Katalysator beschichtet. Brennstoffzellen sind mit einem weiteren Element ausgestattet - eine Membran. Die Umwandlung der chemischen Energie des Kraftstoffs direkt in Elektrizität erfolgt durch die Arbeit der Membran. Es trennt die beiden Kammern des Elements, in die Brennstoff und Oxidator zugeführt werden. Die Membran lässt nur Protonen, die durch Brennstoffspaltung entstehen, an einer mit Katalysator beschichteten Elektrode von einer Kammer zur anderen passieren (Elektronen laufen dann durch den äußeren Stromkreis). In der zweiten Kammer rekombinieren Protonen mit Elektronen (und Sauerstoffatomen) zu Wasser.

Funktionsprinzip einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Auf chemischer Ebene ähnelt der Prozess der Umwandlung von Brennstoffenergie in elektrische Energie dem üblichen Verbrennungs-(Oxidations-)Prozess.

Bei der normalen Verbrennung in Sauerstoff wird organischer Brennstoff oxidiert und die chemische Energie des Brennstoffs in thermische Energie umgewandelt. Mal sehen, was passiert, wenn Wasserstoff durch Sauerstoff in einem Elektrolytmedium und in Gegenwart von Elektroden oxidiert wird.

Durch die Zufuhr von Wasserstoff zu einer Elektrode, die sich in einer alkalischen Umgebung befindet, läuft eine chemische Reaktion ab:

2H 2 + 4OH – → 4H 2 O + 4e –

Wie Sie sehen können, erhalten wir Elektronen, die durch den äußeren Stromkreis in die Gegenelektrode gelangen, in die Sauerstoff eintritt und wo die Reaktion stattfindet:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH –

Es ist ersichtlich, dass die resultierende Reaktion 2H 2 + O 2 → H 2 O die gleiche ist wie bei herkömmlicher Verbrennung, aber Die Brennstoffzelle erzeugt Strom und etwas Wärme.

ARTEN VON BRENNSTOFFZELLEN

FC wird nach der Art des für die Reaktion verwendeten Elektrolyts klassifiziert:

Es sei darauf hingewiesen, dass Kohle, Kohlenmonoxid, Alkohole, Hydrazin und andere organische Substanzen auch als Brennstoff in Brennstoffzellen verwendet werden können, und Luft, Wasserstoffperoxid, Chlor, Brom, Salpetersäure usw. als Oxidationsmittel verwendet werden können.

BRENNSTOFFZELLEN-Effizienz

Ein Merkmal von Brennstoffzellen ist keine harte Begrenzung der Effizienz wie eine Wärmekraftmaschine.

Hilfe: EffizienzCarnot-Zyklus ist der maximal mögliche Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschinen bei gleicher Minimal- und Maximaltemperatur.

Daher kann der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen theoretisch über 100 % liegen. Viele schmunzelten und dachten: "Das Perpetuum Mobile ist erfunden." Nein, es lohnt sich, wieder in den Schulchemiekurs zu gehen. Die Brennstoffzelle basiert auf der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie. Hier geschehen Wunder. Bestimmte chemische Reaktionen im Prozess können Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Hinweis: Endotherme Reaktionen sind chemische Reaktionen, die mit Wärmeaufnahme einhergehen. Bei endothermen Reaktionen haben die Änderung der Enthalpie und der inneren Energie positive Werte (Δ H >0, Δ U >0), die Reaktionsprodukte enthalten also mehr Energie als die ursprünglichen Komponenten.

Ein Beispiel für eine solche Reaktion ist die Oxidation von Wasserstoff, die in den meisten Brennstoffzellen verwendet wird. Daher kann der Wirkungsgrad theoretisch mehr als 100 % betragen. Doch heute heizen sich Brennstoffzellen im Betrieb auf und können keine Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Referenz: Diese Einschränkung wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegt. Der Prozess der Wärmeübertragung von einem „kalten“ auf einen „heißen“ Körper ist nicht möglich.

Außerdem gibt es Verluste, die mit Nichtgleichgewichtsprozessen verbunden sind. B.: Ohmsche Verluste durch die spezifische Leitfähigkeit des Elektrolyten und der Elektroden, Aktivierungs- und Konzentrationspolarisation, Diffusionsverluste. Dadurch wird ein Teil der in Brennstoffzellen erzeugten Energie in Wärme umgewandelt. Daher sind Brennstoffzellen keine Perpetuum Mobiles und ihr Wirkungsgrad liegt unter 100 %. Aber ihre Effizienz ist größer als die anderer Maschinen. Heute Brennstoffzellen-Wirkungsgrad erreicht 80 %.

Referenz: In den vierziger Jahren entwarf und baute der englische Ingenieur T. Bacon eine Brennstoffzellenbatterie mit einer Gesamtleistung von 6 kW und einem Wirkungsgrad von 80 %, die mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wurde, aber das Leistungsgewicht der Batterie änderte sich als zu klein herausstellten - solche Zellen waren für den praktischen Einsatz ungeeignet und zu teuer (Quelle: http://www.powerinfo.ru/).

BRENNSTOFFZELLENPROBLEME

Fast alle Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff als Brennstoff, daher lautet die logische Frage: „Wo bekomme ich ihn her?“

Es scheint, dass eine Brennstoffzelle als Ergebnis der Elektrolyse entdeckt wurde, sodass Sie den durch die Elektrolyse freigesetzten Wasserstoff verwenden können. Aber schauen wir uns diesen Vorgang genauer an.

Nach dem Gesetz von Faraday: Die Menge eines Stoffes, die an der Anode oxidiert oder an der Kathode reduziert wird, ist proportional zur Strommenge, die durch den Elektrolyten geflossen ist. Das bedeutet, dass man mehr Strom aufwenden muss, um mehr Wasserstoff zu bekommen. Existierende Verfahren der Wasserelektrolyse laufen mit einem Wirkungsgrad kleiner als eins. Den dabei entstehenden Wasserstoff nutzen wir dann in Brennstoffzellen, wo der Wirkungsgrad ebenfalls unter Eins liegt. Daher verbrauchen wir mehr Energie, als wir produzieren können.

Natürlich kann auch aus Erdgas gewonnener Wasserstoff verwendet werden. Diese Methode der Wasserstofferzeugung bleibt die billigste und beliebteste. Derzeit werden etwa 50 % des weltweit produzierten Wasserstoffs aus Erdgas gewonnen. Aber es gibt ein Problem mit der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff. Wasserstoff hat eine geringe Dichte ( Ein Liter Wasserstoff wiegt 0,0846 Gramm), daher muss es komprimiert werden, um es über weite Strecken zu transportieren. Und das sind zusätzliche Energie- und Cashkosten. Vergessen Sie auch nicht die Sicherheit.

Aber auch hier gibt es eine Lösung – flüssiger Kohlenwasserstoff-Kraftstoff kann als Wasserstoffquelle genutzt werden. Beispielsweise Ethyl- oder Methylalkohol. Zwar ist hier bereits ein spezielles Zusatzgerät erforderlich - ein Kraftstoffkonverter, der bei hoher Temperatur (bei Methanol etwa 240 ° C) Alkohole in ein Gemisch aus gasförmigem H 2 und CO 2 umwandelt. Aber in diesem Fall ist es schon schwieriger, an Portabilität zu denken - solche Geräte sind gut als stationäre oder Autogeneratoren zu verwenden, aber für kompakte mobile Geräte benötigen Sie etwas weniger Sperriges.

Katalysator

Um die Reaktion in einer Brennstoffzelle zu verbessern, ist die Anodenoberfläche üblicherweise ein Katalysator. Bis vor kurzem wurde Platin als Katalysator verwendet. Daher waren die Kosten der Brennstoffzelle hoch. Zweitens ist Platin ein relativ seltenes Metall. Experten zufolge werden in der industriellen Produktion von Brennstoffzellen die erkundeten Platinreserven in 15 bis 20 Jahren erschöpft sein. Aber Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen, Platin durch andere Materialien zu ersetzen. Übrigens erzielten einige von ihnen gute Ergebnisse. Also ersetzten chinesische Wissenschaftler Platin durch Calciumoxid (Quelle: www.cheburek.net).

BRENNSTOFFZELLEN VERWENDEN

1959 wurde erstmals eine Brennstoffzelle in der Automobiltechnik getestet. Der Alice-Chambers-Traktor benötigte für den Betrieb 1008 Batterien. Der Brennstoff war ein Gemisch aus Gasen, hauptsächlich Propan und Sauerstoff.

Quelle: http://www.planetseed.com/

Ab Mitte der 60er Jahre, auf dem Höhepunkt des „Wettlaufs ins All“, interessierten sich die Schöpfer von Raumfahrzeugen für Brennstoffzellen. Die Arbeit von Tausenden von Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichte es, ein neues Niveau zu erreichen, und zwar im Jahr 1965. Die Brennstoffzellen wurden in den Vereinigten Staaten auf der Raumsonde Gemini 5 und später auf der Apollo-Raumsonde für Flüge zum Mond und im Rahmen des Shuttle-Programms getestet. In der UdSSR wurden bei NPO Kvant Brennstoffzellen entwickelt, auch für den Einsatz im Weltraum (Quelle: http://www.powerinfo.ru/).

Da das Endprodukt der Wasserstoffverbrennung in einer Brennstoffzelle Wasser ist, gelten sie in Bezug auf die Umweltauswirkungen als die saubersten. Vor dem Hintergrund eines allgemeinen Interesses an Ökologie begannen daher Brennstoffzellen an Popularität zu gewinnen.

Bereits heute haben Automobilhersteller wie Honda, Ford, Nissan und Mercedes-Benz Fahrzeuge entwickelt, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force mit Wasserstoffantrieb

Bei der Nutzung von Autos mit Wasserstoff ist das Problem der Wasserstoffspeicherung gelöst. Der Bau von Wasserstofftankstellen wird es ermöglichen, überall zu tanken. Außerdem ist das Betanken eines Autos mit Wasserstoff schneller als das Aufladen eines Elektroautos an einer Tankstelle. Doch bei der Umsetzung solcher Projekte standen sie vor einem Problem wie dem von Elektrofahrzeugen. Die Menschen sind bereit, auf ein Wasserstoffauto „umzusteigen“, wenn es eine Infrastruktur für sie gibt. Und der Bau von Tankstellen wird beginnen, wenn es eine ausreichende Anzahl von Verbrauchern gibt. Daher kamen wir wieder in das Dilemma von Eiern und Hähnchen.

Brennstoffzellen sind in Mobiltelefonen und Laptops weit verbreitet. Vorbei sind die Zeiten, in denen das Telefon einmal pro Woche aufgeladen wurde. Jetzt wird das Telefon fast jeden Tag aufgeladen und der Laptop funktioniert 3-4 Stunden ohne Netzwerk. Daher haben sich Hersteller von Mobiltechnologie entschieden, eine Brennstoffzelle mit Telefonen und Laptops zum Laden und Arbeiten zu synthetisieren. Zum Beispiel Toshiba im Jahr 2003 einen fertigen Prototyp einer Methanol-Brennstoffzelle demonstriert. Es gibt eine Leistung von etwa 100 mW. Eine Nachfüllung von 2 Würfeln konzentriertem (99,5 %) Methanol reicht für 20 Stunden MP3-Player-Betrieb. Wieder demonstrierte das gleiche „Toshiba“ ein 275 x 75 x 40 mm großes Laptop-Netzteil, mit dem der Computer mit einer Ladung 5 Stunden lang arbeiten kann.

Aber einige Hersteller sind noch weiter gegangen. PowerTrekk hat ein gleichnamiges Ladegerät herausgebracht. PowerTrekk ist das erste Wasserladegerät der Welt. Es ist sehr einfach, es zu benutzen. Dem PowerTrekk muss Wasser hinzugefügt werden, um über das USB-Kabel sofort Strom zu liefern. Diese Brennstoffzelle enthält Siliziumpulver und Natriumsilizid (NaSi), wenn sie mit Wasser gemischt wird, erzeugt diese Kombination Wasserstoff. In der Brennstoffzelle selbst vermischt sich Wasserstoff mit Luft und wandelt den Wasserstoff ohne Lüfter oder Pumpen durch ihren Membran-Protonenaustausch in Strom um. Sie können ein solches tragbares Ladegerät für 149 € kaufen (

Brennstoffzellen (elektrochemische Generatoren) sind eine sehr effiziente, langlebige, zuverlässige und umweltfreundliche Methode zur Energiegewinnung. Anfangs nur in der Raumfahrt eingesetzt, werden elektrochemische Generatoren heute zunehmend in verschiedenen Bereichen eingesetzt: Dies sind Stromversorgungen für Mobiltelefone und Laptops, Fahrzeugmotoren, autarke Stromversorgungen für Gebäude und stationäre Kraftwerke. Einige dieser Geräte arbeiten als Laborprototypen, andere dienen Demonstrationszwecken oder befinden sich in der Vorserienerprobung. Viele Modelle werden jedoch bereits in kommerziellen Projekten eingesetzt und in Serie produziert.

Gerät

Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die in der Lage sind, eine hohe Umwandlungsrate vorhandener chemischer Energie in elektrische Energie bereitzustellen.

Das Brennstoffzellengerät umfasst drei Hauptteile:

1. Abschnitt Stromerzeugung;
2. ZENTRALPROZESSOR;
3. Spannungswandler.

Der Hauptteil der Brennstoffzelle ist der Stromerzeugungsabschnitt, bei dem es sich um eine Batterie handelt, die aus einzelnen Brennstoffzellen besteht. Ein Platinkatalysator ist in der Struktur der Brennstoffzellenelektroden enthalten. Mit Hilfe dieser Zellen wird ein elektrischer Gleichstrom erzeugt.

Eines dieser Geräte hat folgende Eigenschaften: Bei einer Spannung von 155 Volt werden 1400 Ampere ausgegeben. Die Abmessungen der Batterie betragen 0,9 m in Breite und Höhe sowie 2,9 m in der Länge. Der darin enthaltene elektrochemische Prozess wird bei einer Temperatur von 177 ° C durchgeführt, was eine Erwärmung der Batterie zum Zeitpunkt des Starts sowie eine Wärmeabfuhr während des Betriebs erfordert. Dazu wird ein separater Wasserkreislauf in die Zusammensetzung der Brennstoffzelle einbezogen, wozu die Batterie mit speziellen Kühlplatten ausgestattet wird.

Der Brennprozess wandelt Erdgas in Wasserstoff um, der für eine elektrochemische Reaktion benötigt wird. Das Hauptelement des Brennstoffprozessors ist der Reformer. Darin wechselwirkt Erdgas (oder ein anderer wasserstoffhaltiger Kraftstoff) bei hohem Druck und hoher Temperatur (ca. 900 ° C) mit Wasserdampf unter Einwirkung eines Nickelkatalysators.

Es gibt einen Brenner, um die erforderliche Temperatur des Reformers aufrechtzuerhalten. Aus dem Kondensat wird der für die Reformierung benötigte Dampf erzeugt. Im Brennstoffzellenstack entsteht ein instabiler Gleichstrom, der über einen Spannungswandler umgewandelt wird.

Auch in der Spannungswandlereinheit gibt es:

• Steuergeräte.
• Sicherheitsschaltkreise, die die Brennstoffzelle bei verschiedenen Fehlern abschalten.

Funktionsprinzip

Das einfachste Element mit einer Protonenaustauschmembran besteht aus einer Polymermembran, die sich zwischen Anode und Kathode sowie Kathoden- und Anodenkatalysatoren befindet. Die Polymermembran wird als Elektrolyt verwendet.

• Die Protonenaustauschmembran sieht aus wie eine dünne feste organische Verbindung geringer Dicke. Diese Membran wirkt als Elektrolyt, sie trennt den Stoff in Gegenwart von Wasser in sowohl negativ als auch positiv geladene Ionen.
• Die Oxidation beginnt an der Anode und die Reduktion findet an der Kathode statt. Kathode und Anode in der PEM-Zelle bestehen aus einem porösen Material, es ist eine Mischung aus Platin- und Kohlenstoffpartikeln. Platin wirkt als Katalysator, der die Dissoziationsreaktion fördert. Die Kathode und Anode sind porös gemacht, damit Sauerstoff und Wasserstoff ungehindert durch sie hindurchtreten können.
• Anode und Kathode befinden sich zwischen zwei Metallplatten, sie führen Sauerstoff und Wasserstoff der Kathode und Anode zu und führen elektrische Energie, Wärme und Wasser ab.
• Durch Kanäle in der Platte gelangen Wasserstoffmoleküle in die Anode, wo Moleküle in Atome zerlegt werden.
• Infolge der Chemisorption werden Wasserstoffatome, wenn sie einem Katalysator ausgesetzt werden, in positiv geladene Wasserstoffionen H +, dh Protonen, umgewandelt.
• Protonen diffundieren durch die Membran zur Kathode, und der Elektronenfluss geht durch einen speziellen externen Stromkreis zur Kathode. Daran ist eine Last angeschlossen, dh ein Verbraucher elektrischer Energie.
• Der Kathode zugeführter Sauerstoff tritt bei Exposition in eine chemische Reaktion mit Elektronen aus dem externen Stromkreis und Wasserstoffionen aus der Protonenaustauschmembran ein. Das Ergebnis dieser chemischen Reaktion ist Wasser.

Die chemische Reaktion, die in Brennstoffzellen anderer Bauart auftritt (z. B. mit einem sauren Elektrolyten in Form von Orthophosphorsäure H3PO4), ist völlig identisch mit der Reaktion eines Geräts mit einer Protonenaustauschmembran.

Arten

Derzeit sind mehrere Typen von Brennstoffzellen bekannt, die sich in der Zusammensetzung des verwendeten Elektrolyten unterscheiden:

• Brennstoffzellen auf Basis von Orthophosphor- oder Phosphorsäure (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Geräte mit einer Protonenaustauschmembran (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Elektrochemische Generatoren auf Basis von geschmolzenem Karbonat (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Derzeit sind elektrochemische Generatoren mit PAFC-Technologie weiter verbreitet.

Anwendung

Heute werden Brennstoffzellen im Space Shuttle, wiederverwendbaren Raumfahrzeugen, eingesetzt. Sie verwenden 12W-Einheiten. Sie erzeugen den gesamten Strom im Raumschiff. Wasser, das bei der elektrochemischen Reaktion entsteht, wird zum Trinken verwendet, auch zum Kühlen von Geräten.

Elektrochemische Generatoren wurden auch verwendet, um die sowjetische Buran, ein wiederverwendbares Schiff, anzutreiben.

Auch im zivilen Bereich werden Brennstoffzellen eingesetzt.

• Stationäre Anlagen mit einer Leistung von 5–250 kW und mehr. Sie werden als autonome Quellen für die Wärme- und Stromversorgung von Industrie-, öffentlichen und Wohngebäuden, Not- und Backup-Stromversorgungen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen verwendet.
• Tragbare Einheiten mit einer Leistung von 1–50 kW. Sie werden für Weltraumsatelliten und Schiffe verwendet. Instanzen werden für Golfwagen, Rollstühle, Eisenbahn- und Frachtkühlschränke, Verkehrszeichen erstellt.
• Mobile Einheiten mit einer Leistung von 25–150 kW. Sie werden allmählich in Kriegsschiffen und U-Booten, einschließlich Autos und anderen Fahrzeugen, eingesetzt. Prototypen wurden bereits von Automobilgiganten wie Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford und anderen erstellt.
• Kleinstgeräte mit einer Leistung von 1–500 W. Sie finden Anwendung in fortschrittlichen Handheld-Computern, Laptops, Unterhaltungselektronikgeräten, Mobiltelefonen und modernen Militärgeräten.

Besonderheiten

• Ein Teil der Energie der chemischen Reaktion in jeder Brennstoffzelle wird als Wärme freigesetzt. Kühlung erforderlich. In einem externen Stromkreis erzeugt der Elektronenfluss einen Gleichstrom, mit dem Arbeit verrichtet wird. Das Aufhören der Bewegung von Wasserstoffionen oder das Öffnen des äußeren Kreislaufs führt zum Abbruch der chemischen Reaktion.
• Die Menge an Strom, die Brennstoffzellen erzeugen, wird durch Gasdruck, Temperatur, geometrische Abmessungen und Art der Brennstoffzelle bestimmt. Um die durch die Reaktion erzeugte Strommenge zu erhöhen, ist es möglich, die Größe der Brennstoffzellen zu erhöhen, aber in der Praxis werden mehrere Elemente verwendet, die zu Batterien kombiniert werden.
• Der chemische Prozess in einigen Arten von Brennstoffzellen kann umgekehrt werden. Das heißt, wenn eine Potentialdifferenz an die Elektroden angelegt wird, kann Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden, die an porösen Elektroden gesammelt werden. Unter Einbeziehung der Last wird eine solche Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugen.

Perspektiven

Gegenwärtig erfordern elektrochemische Generatoren zur Verwendung als Hauptenergiequelle hohe Anfangskosten. Mit der Einführung von stabileren Membranen mit hoher Leitfähigkeit, effizienten und billigen Katalysatoren, alternativen Wasserstoffquellen, werden Brennstoffzellen wirtschaftlich höchst attraktiv und werden überall eingeführt.

• Autos werden mit Brennstoffzellen fahren, sie werden überhaupt keine Verbrennungsmotoren haben. Als Energiequelle wird Wasser oder fester Wasserstoff verwendet. Das Tanken wird einfach und sicher, das Fahren umweltfreundlich – es entsteht nur Wasserdampf.
• Alle Gebäude werden ihre eigenen tragbaren Brennstoffzellen-Stromgeneratoren haben.
• Elektrochemische Generatoren werden alle Batterien ersetzen und in allen Elektronik- und Haushaltsgeräten enthalten sein.

Vorteile und Nachteile

Jeder Brennstoffzellentyp hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Einige erfordern hochwertigen Kraftstoff, andere haben ein komplexes Design und benötigen eine hohe Betriebstemperatur.

Generell lassen sich folgende Vorteile von Brennstoffzellen aufzeigen:

• Sicherheit für die Umwelt;
• elektrochemische Generatoren müssen nicht aufgeladen werden;
• elektrochemische Generatoren können ständig Energie erzeugen, sie kümmern sich nicht um äußere Bedingungen;
• Flexibilität in Bezug auf Skalierbarkeit und Portabilität.

Zu den Nachteilen gehören:

• technische Schwierigkeiten bei der Lagerung und dem Transport von Kraftstoff;
• unvollkommene Elemente des Geräts: Katalysatoren, Membranen und so weiter.

Brennstoffzelle ( Brennstoffzelle) ist ein Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie ähnelt im Prinzip einer herkömmlichen Batterie, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass ihr Betrieb eine ständige Zufuhr von Stoffen von außen erfordert, damit eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann. Den Brennstoffzellen werden Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt, als Output Strom, Wasser und Wärme. Zu ihren Vorteilen zählen Umweltfreundlichkeit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und einfache Bedienung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien können elektrochemische Wandler praktisch unbegrenzt betrieben werden, solange Brennstoff verfügbar ist. Sie müssen nicht stundenlang aufgeladen werden, bis sie vollständig aufgeladen sind. Darüber hinaus können die Zellen selbst die Batterie aufladen, während das Auto mit ausgeschaltetem Motor geparkt ist.

Protonenmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) werden am häufigsten in Wasserstofffahrzeugen verwendet.

Eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran arbeitet wie folgt. Zwischen Anode und Kathode befinden sich eine spezielle Membran und ein platinbeschichteter Katalysator. Wasserstoff tritt in die Anode ein und Sauerstoff tritt in die Kathode ein (z. B. aus Luft). An der Anode wird Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators in Protonen und Elektronen zerlegt. Wasserstoffprotonen passieren die Membran und treten in die Kathode ein, während Elektronen an den äußeren Kreislauf abgegeben werden (die Membran lässt sie nicht durch). Die so erhaltene Potentialdifferenz führt zum Auftreten eines elektrischen Stroms. Auf der Kathodenseite werden Wasserstoffprotonen durch Sauerstoff oxidiert. Dabei entsteht Wasserdampf, der Hauptbestandteil der Autoabgase. PEM-Zellen besitzen einen hohen Wirkungsgrad und haben einen entscheidenden Nachteil: Sie benötigen für ihren Betrieb reinen Wasserstoff, dessen Speicherung ein ziemlich ernstes Problem darstellt.

Wenn ein solcher Katalysator gefunden wird, der das teure Platin in diesen Zellen ersetzen wird, wird sofort eine billige Brennstoffzelle zur Stromerzeugung geschaffen, was bedeutet, dass die Welt die Abhängigkeit vom Öl loswerden wird.

Festoxidzellen

Festoxid-SOFC-Zellen stellen viel weniger Anforderungen an die Brennstoffreinheit. Darüber hinaus können solche Zellen dank der Verwendung eines POX-Reformers (Partial Oxidation - Teiloxidation) normales Benzin als Kraftstoff verbrauchen. Der Prozess der direkten Umwandlung von Benzin in Strom ist wie folgt. In einem speziellen Gerät - einem Reformer - verdampft Benzin bei einer Temperatur von etwa 800 ° C und zerfällt in seine Bestandteile.

Dabei werden Wasserstoff und Kohlendioxid freigesetzt. Weiterhin wird auch unter Temperatureinfluss und mit Hilfe der SOFC selbst (bestehend aus einem porösen keramischen Material auf Basis von Zirkoniumoxid) Wasserstoff durch Luftsauerstoff oxidiert. Nach der Gewinnung von Wasserstoff aus Benzin verläuft der Prozess nach dem oben beschriebenen Szenario weiter, mit nur einem Unterschied: Die SOFC-Brennstoffzelle ist im Gegensatz zu wasserstoffbetriebenen Geräten unempfindlicher gegenüber Fremdstoffen im ursprünglichen Kraftstoff. Die Qualität des Benzins sollte sich also nicht auf die Leistung der Brennstoffzelle auswirken.

Die hohe Betriebstemperatur von SOFC (650-800 Grad) ist ein wesentlicher Nachteil, der Aufwärmvorgang dauert etwa 20 Minuten. Überschüssige Wärme ist jedoch kein Problem, da sie vollständig durch die verbleibende Luft und die vom Reformer und der Brennstoffzelle selbst erzeugten Abgase entfernt wird. Dadurch kann das SOFC-System als eigenständiges Gerät in einem wärmeisolierten Gehäuse in das Fahrzeug integriert werden.

Durch den modularen Aufbau können Sie die erforderliche Spannung erreichen, indem Sie eine Reihe von Standardzellen in Reihe schalten. Und was vielleicht am wichtigsten ist, im Hinblick auf die Einführung solcher Geräte gibt es in SOFC keine sehr teuren Elektroden auf Platinbasis. Die hohen Kosten dieser Elemente sind eines der Hindernisse bei der Entwicklung und Verbreitung der PEMFC-Technologie.

Arten von Brennstoffzellen

Derzeit gibt es solche Arten von Brennstoffzellen:

• A.F.C.– Alkalische Brennstoffzelle (alkalische Brennstoffzelle);
• PAFC– Phosphorsäure-Brennstoffzelle (Phosphorsäure-Brennstoffzelle);
• PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran);
• DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (Brennstoffzelle mit direkter Methanolzersetzung);
• MCFC– Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Brennstoffzelle aus geschmolzenem Karbonat);
• SOFC– Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-Brennstoffzelle).

Vorteile von Brennstoffzellen/Zellen

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

Eine Brennstoffzelle ähnelt einer Batterie, da sie durch eine chemische Reaktion Gleichstrom erzeugt. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Im Gegensatz zu Batterien können Brennstoffzellen/Zellen jedoch keine elektrische Energie speichern, entladen sich nicht und erfordern kein Wiederaufladen von Elektrizität. Brennstoffzellen/Zellen können kontinuierlich Strom erzeugen, solange sie mit Brennstoff und Luft versorgt werden.

Im Gegensatz zu anderen Stromgeneratoren wie Verbrennungsmotoren oder Turbinen, die mit Gas, Kohle, Öl usw. betrieben werden, verbrennen Brennstoffzellen/Zellen 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 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. Das Ergebnis sind drei Reaktionsnebenprodukte, die in der 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 die industrielle Welt einen Mangel an Heizöl erlebte. Im gleichen Zeitraum machten sich auch die Länder der Welt Sorgen um das Problem der Luftverschmutzung und erwogen Möglichkeiten zur umweltfreundlichen Stromerzeugung. 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.

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: 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

Ähnlich wie es verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren gibt, gibt es 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, sodass 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 Nutzung von Erdgas ohne Brennstoffprozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert aus Prozessbrennstoffen und 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. 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 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 Anwendungen genutzt werden.

Auch hohe Reaktionstemperaturen im Elektrolyten haben ihre Vorteile. Die Anwendung hoher Temperaturen benötigt viel Zeit, 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 Brennstoffzellenbasis 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. Einfacher Aufbau, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls 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 diese hohen Temperaturen zu handhaben, ist der verwendete Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis, häufig 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 erzeugt wird. 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 liegt in ihren geringen Abmessungen aufgrund der Verwendung von flüssigem Brennstoff und dem Wegfall der Verwendung eines Konverters.

Alkalische Brennstoffzellen/Zellen (AFC)

Alkalische Brennstoffzellen gehören zu den effizientesten Zellen, die zur Stromerzeugung verwendet werden, mit einem Wirkungsgrad der Stromerzeugung von bis zu 70 %.

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 die, 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

1. Brennstoffzellen-Batterie
2. Sonstige Hochtemperaturgeräte (integrierter Dampferzeuger, Brennkammer, Wärmebilanzwechsler)
3. 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 eine längere Anlaufzeit und sind daher besser für den Dauerbetrieb 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. Diese innovative Technologie eignet sich am besten 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 und 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. Batterien eignen sich jedoch nicht für längere Überbrückungszeiträume, da sie teuer in der Wartung sind, nach längerer Verwendung unzuverlässig werden, temperaturempfindlich sind und nach der Entsorgung umweltgefährdend sind. 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. Die niedrigeren Kosten pro Brennstoffzelle sind das Ergebnis von nur einem Wartungsbesuch pro Jahr und einer deutlich höheren Anlagenproduktivität. Schließlich ist die Brennstoffzelle eine umweltfreundliche Technologielösung mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt.

Brennstoffzelleneinheiten bieten Notstromversorgung für kritische Kfür drahtlose, permanente und Breitbandkommunikation in einem Telekommunikationssystem, von 250 W bis 15 kW, sie bieten viele konkurrenzlose innovative Funktionen:

• VERLÄSSLICHKEIT– Wenig 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 eine hochwertige, geregelte DC-Leistung für die erforderlichen Lasten umwandelt. Eine Brennstoffzellenanlage kann viele Tage lang 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, kommerzieller Kraftstoff, der derzeit viele Verwendungszwecke hat, darunter Scheibenwaschanlagen, Plastikflaschen, Motoradditive und 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 ihres energiesparenden Konstruktionsprinzips 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. Ein Stromausfall in solchen Netzen gefährdet nicht nur die übertragenen 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
• Anwendungen mit Anforderungen an die Batterielebensdauer > 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:

1. Die Flüssigbrennstofftechnologie löst das Problem der Wasserstoffspeicherung und bietet praktisch unbegrenzte Notstromversorgung.
2. 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.
3. Die Vorbereitungen für den Einsatz des Systems vor Ort sind schnell und kostengünstig, und die Betriebskosten sind gering.
4. 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 sind sich ihrer Zuverlässigkeit und Wartungsprobleme bewusst. 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 umweltfreundliche, zuverlässige und langlebige Notstromversorgung (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 zahlreiche Vorteile für kritische Anwendungen wie Sicherheits- und Gebäudemanagementsysteme gegenüber herkömmlichen Batterie- oder Dieselgeneratoren. 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 thermische Kraftwerke zu bauen, um Strom und Wärme aus weit verfügbarem Erdgas und erneuerbaren Brennstoffen 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 von KWK-Anlagen erzeugt und über die derzeit verwendeten traditionellen Übertragungsnetze zu den Haushalten übertragen wird. 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.

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

Wasserstoff-Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie des Brennstoffs in Strom um und umgehen dabei die ineffizienten, verlustreichen Verbrennungsprozesse und die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist elektrochemisch Das Gerät erzeugt durch hocheffiziente "kalte" Verbrennung des Brennstoffs direkt Strom. Die Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEMFC) ist eine der vielversprechendsten Brennstoffzellentechnologien.

Vor acht Jahren wurden in Westeuropa sechs Flüssigdieselpumpen eröffnet; sie müssen bis zum Ende zweihundert sein. Wir sind weit entfernt von den tausenden Schnellladesäulen, die überall ausbrüten, um die Verbreitung der Elektromobilität anzukurbeln. Und da tut das Reiben weh. Und wir kündigen besser Graphen an.

Die Batterien haben ihr letztes Wort noch nicht gesprochen

Es ist mehr als Autonomie, daher verlangsamt die Begrenzung der Ladezeit die Verbreitung des Elektroautos. Er erinnerte sich jedoch in diesem Monat an eine an seine Kunden gerichtete Mitteilung, dass Batterien bei sehr hoher Spannung auf diese Art von Sonden beschränkt sind. Thomas Brachman wird mitgeteilt, dass noch ein Wasserstoffverteilungsnetz aufgebaut werden muss. Das Argument, dass er mit der Hand wischt, erinnert daran, dass die Vervielfältigung von Schnellladeterminals auch sehr teuer sei, aufgrund des hohen Querschnitts von Hochspannungs-Kupferkabeln. „Es ist einfacher und billiger, verflüssigten Wasserstoff per Lkw aus unterirdischen Tanks in der Nähe von Produktionsstätten zu transportieren.“

Eine protonenleitende Polymermembran trennt zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode. Jede Elektrode ist eine Kohlenstoffplatte (Matrix), die mit einem Katalysator beschichtet ist. Am Anodenkatalysator dissoziiert molekularer Wasserstoff und gibt Elektronen ab. Wasserstoffkationen werden durch die Membran zur Kathode geleitet, aber Elektronen werden an den äußeren Kreislauf abgegeben, da die Membran keine Elektronen durchlässt.

Wasserstoff ist noch kein reiner Stromträger

Was die Kosten für die Batterie an sich betrifft, eine sehr sensible Information, ist Thomas Brachmann überzeugt, dass sie mit zunehmender Effizienz deutlich gesenkt werden kann. "Platin ist das Element, das mehr kostet." Leider stammt fast der gesamte Wasserstoff aus fossilen Energiequellen. Darüber hinaus ist Diwasserstoff nur ein Energieträger und keine Quelle, aus der während seiner Herstellung ein nicht unerheblicher Teil verbraucht, verflüssigt und dann in Strom umgewandelt wird.

Auf dem Kathodenkatalysator verbindet sich ein Sauerstoffmolekül mit einem Elektron (das aus dem Stromkreis zugeführt wird) und einem eintretenden Proton und bildet Wasser, das das einzige Reaktionsprodukt (in Form von Dampf und/oder Flüssigkeit) ist.

Membran-Elektroden-Blöcke werden aus Wasserstoff-Brennstoffzellen hergestellt, die das Schlüsselelement des Energiesystems sind.

Das Auto der Zukunft verhält sich wie ein echtes

Die Batteriebilanz ist trotz Erwärmungsverlusten in den Treibern etwa dreimal so hoch. Leider wird das Wunderauto unsere Straßen nicht durchbohren, außer im Rahmen öffentlicher Demonstrationen. Brachmann, der sich erinnert, dass die natürliche Stille eines Elektroautos den Eindruck verstärkt, in einer lauten Welt zu leben. Trotz aller Widrigkeiten liefern das Lenk- und Bremspedal natürliche Konsistenz.

Winziger Akku, aber verbesserte Leistung

Das Gadget fällt auf, der zentrale Bildschirm streut die Bilder der im rechten Spiegel platzierten Kamera, sobald der Blinker aktiviert wird. Die meisten unserer US-Kunden benötigen keine mehr, und dies ermöglicht es uns, die Preise niedrig zu halten - begründet der Chefingenieur, der einen niedrigeren Preis als anbietet. Es lohnt sich wirklich, über einen Brennstoffzellen-Stack zu sprechen, da es 358 gibt, die zusammenarbeiten. Der Haupttank mit einem Fassungsvermögen von 117 Litern, der gegen die Rückwand der Bank gedrückt wird, verbietet das Zusammenklappen, und der zweite - 24 Liter - ist unter dem Sitz versteckt.

Vorteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen gegenüber herkömmlichen Lösungen:

- erhöhte spezifische Energieintensität (500 ÷ 1000 W*h/kg),

- erweiterter Betriebstemperaturbereich (-40 0 C / +40 0 C),

- Fehlen eines thermischen Flecks, Geräusche und Vibrationen,

- Zuverlässigkeit beim Kaltstart

- praktisch unbegrenzte Energiespeicherdauer (keine Selbstentladung),

Erste Zweitakt-Brennstoffzelle

Trotz ihrer kompakten Größe wandelt diese neue Brennstoffzelle Diwasserstoff schneller und besser in Strom um als ihr Vorgänger. Es liefert die Pfahlelemente in Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit, die zuvor als unvereinbar mit ihrer Haltbarkeit angesehen wurde. Überschüssiges Wasser, das zuvor die Durchflussmenge begrenzt hat, wird am besten abgeführt. Dadurch wird die Leistung pro Element um die Hälfte erhöht und der Wirkungsgrad erreicht 60 %.

Dies ist auf das Vorhandensein einer 1,7-kWh-Lithium-Ionen-Batterie zurückzuführen, die sich unter den Vordersitzen befindet und es ermöglicht, bei starken Beschleunigungen zusätzlichen Strom zu liefern. Entweder beträgt die Autonomie der Prognose 460 km, was perfekt den Angaben des Herstellers entspricht.

- die Fähigkeit, die Energieintensität des Systems durch Ändern der Anzahl der Tankpatronen zu ändern, was eine nahezu unbegrenzte Autonomie bietet,

Die Fähigkeit, durch Änderung der Kapazität des Wasserstoffspeichers nahezu jede vernünftige Energieintensität des Systems bereitzustellen,

- hoher Energieverbrauch

- Toleranz gegenüber Verunreinigungen in Wasserstoff,

Aber tausend Teile erleichtern den Luftstrom und optimieren die Kühlung. Noch mehr als sein Vorgänger zeigt dieses Elektrofahrzeug, dass die Brennstoffzelle im Rampenlicht steht. Eine große Herausforderung für die Branche und unsere Führungskräfte. Mittlerweile ganz schlau, wer weiß, ob sich Brennstoffzelle oder Batterie durchsetzen wird.

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Energieumwandlungsvorrichtung, die Elektrizität in Form von Gleichstrom erzeugen kann, indem sie einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in einer chemischen Reaktion kombiniert, um ein Abfallprodukt, typischerweise Brennstoffoxid, zu erzeugen.

- lange Lebensdauer,

- Umweltfreundlichkeit und Geräuschlosigkeit der Arbeit.

Energieversorgungssysteme auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen für UAVs:

Installation von Brennstoffzellen auf unbemannte Luftfahrzeuge Anstelle herkömmlicher Batterien vervielfacht es die Flugdauer, das Nutzlastgewicht, ermöglicht es, die Zuverlässigkeit des Flugzeugs zu erhöhen, den Temperaturbereich für den Start und Betrieb des UAV zu erweitern und die Grenze auf -40 0С zu senken. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sind Brennstoffzellensysteme leise, vibrationsfrei, arbeiten bei niedrigen Temperaturen, sind während des Fluges schwer zu erkennen, erzeugen keine schädlichen Emissionen und können Aufgaben von der Videoüberwachung bis zur Nutzlastlieferung effizient erfüllen.

Jede Brennstoffzelle hat zwei Elektroden, eine positive und eine negative, und die Reaktion, die Strom erzeugt, findet an den Elektroden in Gegenwart eines Elektrolyten statt, der geladene Teilchen von Elektrode zu Elektrode transportiert, während die Elektronen in den zwischen den Elektroden befindlichen äußeren Drähten zirkulieren Strom zu erzeugen.

Die Brennstoffzelle kann kontinuierlich Strom erzeugen, solange der erforderliche Fluss von Brennstoff und Oxidationsmittel aufrechterhalten wird. Einige Brennstoffzellen erzeugen nur wenige Watt, während andere mehrere hundert Kilowatt erzeugen können, während kleinere Batterien wahrscheinlich in Laptops und Mobiltelefonen zu finden sind, aber Brennstoffzellen zu teuer sind, um kleine Generatoren zu sein, die zur Stromerzeugung für Haushalte und Unternehmen verwendet werden.

Die Zusammensetzung des Stromversorgungssystems für das UAV:

Wirtschaftliche Dimensionen von Brennstoffzellen

Die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoffquelle ist mit erheblichen Kosten verbunden. Aus diesem Grund ist Wasserstoff heute eine nicht wirtschaftliche Quelle, insbesondere weil andere kostengünstigere Quellen verwendet werden können. Die Produktionskosten für Wasserstoff können variieren, da sie die Kosten der Ressourcen widerspiegeln, aus denen er gewonnen wird.

Batterie-Kraftstoffquellen

Brennstoffzellen werden allgemein in die folgenden Kategorien eingeteilt: Wasserstoff-Brennstoffzellen, organische Brennstoffzellen, Metall-Brennstoffzellen und Redox-Batterien. Wenn Wasserstoff als Brennstoffquelle verwendet wird, wird die chemische Energie während des umgekehrten Hydrolyseprozesses in Strom umgewandelt, um nur Wasser und Wärme als Abfall zu ergeben. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist sehr niedrig, kann aber mehr oder weniger hoch in der Wasserstoffproduktion sein, insbesondere wenn sie aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird.

• - Brennstoffzellenbatterie,
• - Li-Po-Pufferakku zur Abdeckung kurzzeitiger Spitzenlasten,
• - elektronisch Steuersystem ,
• - Kraftstoffsystem bestehend aus einem Zylinder mit komprimiertem Wasserstoff oder einer festen Wasserstoffquelle.

Das Kraftstoffsystem verwendet hochfeste, leichte Zylinder und Untersetzungsgetriebe, um die maximale Versorgung mit komprimiertem Wasserstoff an Bord sicherzustellen. Es ist erlaubt, verschiedene Standardgrößen von Zylindern (von 0,5 bis 25 Liter) mit Reduzierstücken zu verwenden, die den erforderlichen Wasserstofffluss liefern.

Wasserstoffbatterien werden in zwei Kategorien eingeteilt: Niedertemperaturbatterien und Hochtemperaturbatterien, wobei Hochtemperaturbatterien auch direkt fossile Brennstoffe nutzen können. Letztere bestehen aus Kohlenwasserstoffen wie Öl oder Benzin, Alkohol oder Biomasse.

Andere Brennstoffquellen in Batterien umfassen Alkohole, Zink, Aluminium, Magnesium, ionische Lösungen und viele Kohlenwasserstoffe, sind aber nicht darauf beschränkt. Andere Oxidationsmittel schließen Luft, Chlor und Chlordioxid ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Derzeit gibt es mehrere Arten von Brennstoffzellen.

Eigenschaften des Stromversorgungssystems für das UAV:

Tragbare Ladegeräte auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen:

Tragbare Ladegeräte auf der Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen sind kompakte Geräte, die in Gewicht und Abmessungen mit bestehenden und weit verbreiteten Batterieladegeräten in der Welt vergleichbar sind.

Die allgegenwärtige tragbare Technologie in der modernen Welt muss regelmäßig aufgeladen werden. Herkömmliche tragbare Systeme sind bei niedrigen Temperaturen praktisch nutzlos, und nachdem sie ihre Funktion erfüllt haben, müssen sie auch über (Stromnetze) aufgeladen werden, was auch ihre Effizienz und Autonomie des Geräts verringert.

Jedes Wasserstoffmolekül hat 2 Elektronen. Das H-Ion wandert von der Anode zur Kathode und induziert einen elektrischen Strom, wenn ein Elektron übertragen wird. Wie könnten Brennstoffzellen für Flugzeuge aussehen? Heute werden Tests an Flugzeugen durchgeführt, um zu versuchen, sie mit einer Brennstoffzellen-Lithium-Ionen-Hybridbatterie zu fliegen. Der wahre Gewinn der Brennstoffzelle liegt in ihrer geringen Gewichtsintegrität: Sie ist leichter, was dazu beiträgt, das Gewicht des Flugzeugs und damit den Treibstoffverbrauch zu reduzieren.

Aber vorerst ist das Fliegen eines Brennstoffzellenflugzeugs nicht möglich, da es noch viele Nachteile hat. Bild einer Brennstoffzelle. Welche Nachteile hat eine Brennstoffzelle? Erstens, wenn Wasserstoff weit verbreitet wäre, wäre seine Verwendung in großen Mengen problematisch. Tatsächlich ist es nicht nur auf der Erde verfügbar. Es findet sich in sauerstoffhaltigem Wasser, Ammoniak. Daher ist es notwendig, eine Elektrolyse von Wasser durchzuführen, um es zu erhalten, und dies ist noch kein weit verbreitetes Verfahren.

Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme erfordern lediglich den Austausch einer kompakten Brennstoffkartusche, wonach das Gerät sofort betriebsbereit ist.

Merkmale tragbarer Ladegeräte:

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen:

Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen sollen die Notstromversorgung und temporäre Stromversorgung organisieren. Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen zur Organisation von temporärer und Ersatzstromversorgung mit Batterien und Dieselgeneratoren.

Wasserstoff ist ein Gas und daher schwer einzudämmen und zu transportieren. Ein weiteres Risiko im Zusammenhang mit der Verwendung von Wasserstoff ist die Explosionsgefahr, da es sich um ein hochentzündliches Gas handelt. was die batterie für ihre produktion im großen maßstab liefert, erfordert eine andere energiequelle, sei es öl, gas oder kohle, oder die atomkraft, die ihre umweltbilanz deutlich schlechter macht als kerosin und haufen, platin, metall, das heißt noch seltener und wertvoller als Gold.

Die Brennstoffzelle liefert Energie, indem sie den Brennstoff an der Anode oxidiert und das Oxidationsmittel an der Kathode reduziert. Die Entdeckung des Brennstoffzellenprinzips und die ersten Laborumsetzungen mit Schwefelsäure als Elektrolyt werden dem Chemiker William Grove zugeschrieben.

Eigenschaften des unterbrechungsfreien Stromversorgungssystems:

Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät ähnlich einer galvanischen Zelle, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass ihr die Stoffe für die elektrochemische Reaktion von außen zugeführt werden - im Gegensatz zu der begrenzten Energiemenge, die in einer galvanischen Zelle oder Batterie gespeichert ist.

Tatsächlich haben Brennstoffzellen einige Vorteile: Diejenigen, die Diwasserstoff und Dioxid verwenden, geben nur Wasserdampf ab: Es handelt sich also um eine saubere Technologie. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, abhängig von der Art des Elektrolyten, der Art des Brennstoffs, der direkten oder indirekten Oxidation und der Betriebstemperatur.

Die folgende Tabelle fasst die Hauptmerkmale dieser verschiedenen Geräte zusammen. Mehrere europäische Programme suchen nach anderen Polymeren wie Polybenzimidazol-Derivaten, die stabiler und billiger sind. Batteriekompaktheit ist auch bei Membranen in der Größenordnung von 15-50 µm, porösen Kohlenstoffanoden und Bipolarplatten aus Edelstahl eine ständige Herausforderung. Auch die Lebensdauer kann verbessert werden, da einerseits Spuren von Kohlenmonoxid in der Größenordnung von wenigen Teilen pro Million in Wasserstoff echte Gifte für den Katalysator sind und andererseits die Kontrolle des Wassers im Polymer unerlässlich ist.

Reis. ein. Einige Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie des Kraftstoffs in Strom um und umgehen dabei die ineffizienten Verbrennungsprozesse, die mit großen Verlusten ablaufen. Durch eine chemische Reaktion wandeln sie Wasserstoff und Sauerstoff in Strom um. Als Ergebnis dieses Prozesses wird Wasser gebildet und eine große Menge Wärme freigesetzt. Eine Brennstoffzelle ist einer Batterie sehr ähnlich, die aufgeladen und dann zum Speichern elektrischer Energie verwendet werden kann. Der Erfinder der Brennstoffzelle ist William R. Grove, der sie bereits 1839 erfunden hat. In dieser Brennstoffzelle wurde eine Schwefelsäurelösung als Elektrolyt verwendet und Wasserstoff wurde als Brennstoff verwendet, der sich mit Sauerstoff in einem Oxidationsmedium verband. Bis vor kurzem wurden Brennstoffzellen nur in Labors und auf Raumfahrzeugen verwendet.

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 Emissionen aus dem Brennstoffzellenbetrieb 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 separaten Funktionsmodulen zusammengebaut.

Brennstoffzellen haben keine beweglichen Teile (zumindest nicht innerhalb der Zelle selbst) und gehorchen daher nicht dem Gesetz von Carnot. Das heißt, sie haben einen Wirkungsgrad von mehr als 50 % und sind besonders effektiv bei niedrigen Lasten. Somit können Brennstoffzellenfahrzeuge unter realen Fahrbedingungen sparsamer als herkömmliche Fahrzeuge sein (und haben sich bereits als nachweislich erwiesen).

Die Brennstoffzelle erzeugt Gleichstrom, der verwendet werden kann, um einen Elektromotor, Beleuchtungskörper und andere elektrische Systeme in einem Fahrzeug anzutreiben.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich in den verwendeten chemischen Prozessen unterscheiden. Brennstoffzellen werden normalerweise nach der Art des verwendeten Elektrolyten klassifiziert.

Einige Arten von Brennstoffzellen sind vielversprechend für den Einsatz in Kraftwerken, andere für tragbare Geräte oder für den Antrieb von Autos.

1. Alkalische Brennstoffzellen (AFC)

Alkalische Brennstoffzelle- Dies ist eines der allerersten entwickelten Elemente. Alkalische Brennstoffzellen (ALFCs) sind eine der am besten untersuchten Technologien, die seit Mitte der 1960er Jahre von der NASA in den Apollo- und Space-Shuttle-Programmen eingesetzt werden. An Bord dieser Raumfahrzeuge erzeugen Brennstoffzellen Strom und Trinkwasser.

Alkalische Brennstoffzellen gehören zu den effizientesten Zellen, die zur Stromerzeugung verwendet werden, mit einem Wirkungsgrad der Stromerzeugung von bis zu 70 %.

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 die, die als Katalysatoren für andere Brennstoffzellen verwendet werden. Darüber hinaus arbeiten SFCs bei relativ niedrigen Temperaturen und gehören zu den effizientesten.

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 arbeiten mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff.

2. Karbonat-Schmelz-Brennstoffzellen (MCFC)

Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat-Elektrolyt 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 wandern von der Kathode zur Anode, wo sie sich mit Wasserstoff zu Wasser, Kohlendioxid und freien Elektronen verbinden. 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)

Die hohen Betriebstemperaturen von Schmelzkarbonatelektrolyt-Brennstoffzellen haben gewisse Vorteile. Der Vorteil ist die Möglichkeit, Standardmaterialien (Edelstahlblech und Nickelkatalysator auf den Elektroden) zu verwenden. Die Abwärme kann zur Erzeugung von Hochdruckdampf 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, „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.

3. Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (PFC)

Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure). wurden die ersten Brennstoffzellen für den kommerziellen Einsatz. Dieses Verfahren wurde Mitte der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts entwickelt, Tests wurden seit den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts durchgeführt. Als Ergebnis wurden Stabilität und Leistung erhöht und die Kosten gesenkt.

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 von bis zu 150-220°C verwendet.

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

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 die 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 Brennstoffzellenbasis 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. Einfache Konstruktion, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls Vorteile solcher Brennstoffzellen.

Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Ausgangsleistung von bis zu 400 kW werden industriell hergestellt. Anlagen mit einer Leistung von 11 MW haben die entsprechenden Tests bestanden. Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW werden entwickelt.

4. Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (MOFEC)

Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran gelten als die beste Art von Brennstoffzellen zur Stromerzeugung in Fahrzeugen, die Benzin- und Diesel-Verbrennungsmotoren ersetzen können. Diese Brennstoffzellen wurden erstmals von der NASA für das Gemini-Programm verwendet. Installationen auf MOPFC mit Leistungen von 1 W bis 2 kW werden entwickelt und gezeigt.

Der Elektrolyt in diesen Brennstoffzellen ist 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 + 4eKathodenreaktion: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Gesamtzellreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O Im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen, Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran erzeugen mehr Energie für ein gegebenes Volumen oder Gewicht der Brennstoffzelle. 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 eher ein Feststoff als eine Flüssigkeit ist. Mit einem Festelektrolyten ist es einfacher, Gase an Kathode und Anode zu halten, sodass solche Brennstoffzellen billiger herzustellen sind. Bei Verwendung eines Festelektrolyten gibt es keine Orientierungsschwierigkeiten und weniger Probleme durch das Auftreten von Korrosion, was die Lebensdauer der Zelle und ihrer Komponenten erhöht.

5. 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. Die 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 elektrischen Energieerzeugung ist der höchste aller Brennstoffzellen – etwa 60 %. Darüber hinaus ermöglichen hohe Betriebstemperaturen eine Kraft-Wärme-Kopplung zur Erzeugung von Hochdruckdampf. Durch die Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Turbine entsteht eine Hybrid-Brennstoffzelle, die den Wirkungsgrad der Stromerzeugung um bis zu 70 % steigert.

Festoxidbrennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (600°C–1000°C), was zu einer erheblichen Zeitdauer führt, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. 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.

6. Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation (DOMTE)

Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation werden erfolgreich im Bereich der Stromversorgung von Mobiltelefonen, Laptops sowie zur Schaffung tragbarer Stromquellen eingesetzt, worauf die zukünftige Verwendung solcher Elemente abzielt.

Der Aufbau von Brennstoffzellen mit Direktoxidation von Methanol ähnelt dem Aufbau von Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (MOFEC), d.h. Als Elektrolyt wird ein Polymer und als Ladungsträger ein Wasserstoffion (Proton) verwendet. Aber flüssiges Methanol (CH3OH) wird in Gegenwart von Wasser an der Anode oxidiert, wobei CO2, Wasserstoffionen und Elektronen freigesetzt werden, die durch einen externen Stromkreis geschickt werden und ein elektrischer Strom erzeugt wird. Wasserstoffionen passieren den Elektrolyten und reagieren an der Anode mit Luftsauerstoff und Elektronen aus dem äußeren Kreislauf zu Wasser.

Anodenreaktion: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKathodenreaktion: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Gesamtelementreaktion: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990er Jahre und ihre spezifische Leistung und Effizienz wurden gesteigert zu 40%.

Diese Elemente wurden im Temperaturbereich von 50-120°C getestet. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen und der fehlenden Notwendigkeit eines Konverters sind diese Brennstoffzellen der beste Kandidat für Anwendungen in Mobiltelefonen und anderen Konsumgütern sowie in Automotoren. Ihr Vorteil sind auch kleine Abmessungen.

7. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PETE)

Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen eine Leitung von Wasserionen stattfindet H2O+ (Proton, rot) ist an das Wassermolekül gebunden. 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.

8. Festsäure-Brennstoffzellen (SCFC)

In Festsäure-Brennstoffzellen enthält der Elektrolyt (CsHSO4) kein Wasser. Die Betriebstemperatur beträgt daher 100-300°C. Durch die Rotation der SO42-Oxyanionen können sich die Protonen (rot) wie in der Abbildung gezeigt 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.

9. Gegenüberstellung der wichtigsten Eigenschaften von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen-Eigenschaften

Brennstoffzellentyp	Arbeitstemperatur	Effizienz der Stromerzeugung	Treibstoffart	Zielfernrohr
				Mittlere und große Installationen
			Reiner Wasserstoff	Installationen
			Reiner Wasserstoff	Kleine Installationen
			Die meisten Kohlenwasserstoffbrennstoffe	Kleine, mittlere und große Installationen
				tragbar Installationen
			Reiner Wasserstoff	Platz erforscht
			Reiner Wasserstoff	Kleine Installationen

10. Einsatz von Brennstoffzellen in Autos

Ökologie des Wissens. Wissenschaft und Technologie: Mobile Elektronik verbessert sich jedes Jahr, wird weiter verbreitet und zugänglicher: PDAs, Laptops, mobile und digitale Geräte, Fotorahmen usw. Sie alle werden ständig aufgefüllt

Selbstgebaute Brennstoffzelle zu Hause

Mobile Elektronik verbessert sich jedes Jahr und wird weiter verbreitet und zugänglicher: PDAs, Laptops, mobile und digitale Geräte, Fotorahmen usw. Alle werden ständig mit neuen Funktionen, größeren Monitoren, drahtloser Kommunikation, stärkeren Prozessoren aktualisiert, während sie immer weniger werden Größe. . Energietechnologien sind im Gegensatz zur Halbleitertechnologie keine Sprünge und Grenzen.

Die verfügbaren Batterien und Akkumulatoren, um die Errungenschaften der Industrie mit Energie zu versorgen, werden unzureichend, sodass die Frage nach alternativen Quellen sehr akut ist. Brennstoffzellen sind die mit Abstand vielversprechendste Richtung. Das Prinzip ihres Betriebs wurde bereits 1839 von William Grove entdeckt, der durch Veränderung der Elektrolyse von Wasser Strom erzeugte.

Was sind Brennstoffzellen?

Video: Dokumentarfilm, Brennstoffzellen für den Transport: Vergangenheit, Gegenwart, Zukunft

Brennstoffzellen sind für Autohersteller interessant, aber auch für Raumfahrzeugbauer. 1965 wurden sie sogar von Amerika auf der ins All gestarteten Gemini 5 und später auf der Apollo getestet. Millionen von Dollar werden auch heute noch in die Brennstoffzellenforschung investiert, wenn es um Umweltverschmutzung, steigende Treibhausgasemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe geht, deren Reserven ebenfalls nicht unerschöpflich sind.

Eine Brennstoffzelle, die oft als elektrochemischer Generator bezeichnet wird, arbeitet auf die unten beschriebene Weise.

Ist wie Akkumulatoren und Batterien eine galvanische Zelle, jedoch mit dem Unterschied, dass Wirkstoffe darin separat gespeichert werden. Sie kommen zu den Elektroden, wie sie verwendet werden. An der negativen Elektrode verbrennt natürlicher Brennstoff oder jeder daraus gewonnene Stoff, der gasförmig (z. B. Wasserstoff und Kohlenmonoxid) oder flüssig wie Alkohole sein kann. An der positiven Elektrode reagiert in der Regel Sauerstoff.

Doch ein einfach anmutendes Wirkprinzip ist nicht einfach in die Realität umzusetzen.

Brennstoffzelle selber bauen

Leider haben wir keine Fotos, wie dieses Brennelement aussehen soll, wir hoffen auf Ihre Vorstellungskraft.

Selbst in einem Schullabor kann eine Brennstoffzelle mit geringem Stromverbrauch mit eigenen Händen hergestellt werden. Es ist notwendig, sich mit einer alten Gasmaske, mehreren Plexiglasscheiben, Alkali und einer wässrigen Lösung von Ethylalkohol (einfacher Wodka) einzudecken, die als „Brennstoff“ für die Brennstoffzelle dienen wird.

Zunächst einmal braucht man ein Gehäuse für die Brennstoffzelle, am besten aus Plexiglas, mindestens fünf Millimeter dick. Interne Trennwände (fünf Fächer im Inneren) können etwas dünner gemacht werden - 3 cm Zum Kleben von Plexiglas wird Klebstoff der folgenden Zusammensetzung verwendet: Sechs Gramm Plexiglassplitter werden in hundert Gramm Chloroform oder Dichlorethan gelöst (sie arbeiten unter einer Haube ).

In die Außenwand muss nun ein Loch gebohrt werden, in das Sie durch einen Gummistopfen ein Ablaufglasrohr mit einem Durchmesser von 5-6 Zentimetern stecken müssen.

Jeder weiß, dass im Periodensystem in der unteren linken Ecke die aktivsten Metalle stehen und die hochaktiven Metalloide in der Tabelle in der oberen rechten Ecke, d.h. die Fähigkeit, Elektronen abzugeben, nimmt von oben nach unten und von rechts nach links zu. Elemente, die sich unter bestimmten Bedingungen als Metalle oder Halbmetalle manifestieren können, stehen im Zentrum der Tabelle.

Jetzt gießen wir in das zweite und vierte Fach Aktivkohle aus der Gasmaske (zwischen der ersten und der zweiten sowie der dritten und vierten Trennwand), die als Elektroden dienen. Damit die Kohle nicht durch die Löcher austritt, kann sie in einen Nylonstoff gelegt werden (Damen-Nylonstrümpfe reichen aus).

Der Kraftstoff zirkuliert in der ersten Kammer, in der fünften sollte es einen Sauerstofflieferanten geben - Luft. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, und um zu verhindern, dass er in die Luftkammer gelangt, muss er mit einer Lösung von Paraffin in Benzin eingeweicht werden (im Verhältnis von 2 Gramm Paraffin zu einem halben Glas Benzin). bevor die vierte Kammer mit Kohle für Luftelektrolyt gefüllt wird. Auf eine Kohleschicht müssen (leicht drückende) Kupferplatten gelegt werden, an die die Drähte gelötet werden. Durch sie wird der Strom von den Elektroden abgeleitet.

Es bleibt nur das Element aufzuladen. Dazu wird Wodka benötigt, der 1: 1 mit Wasser verdünnt werden muss. Fügen Sie dann vorsichtig dreihundert bis dreihundertfünfzig Gramm ätzendes Kalium hinzu. Als Elektrolyt werden 70 Gramm ätzendes Kalium in 200 Gramm Wasser gelöst.

Die Brennstoffzelle ist bereit zum Testen. Jetzt müssen Sie gleichzeitig Kraftstoff in die erste Kammer und Elektrolyt in die dritte gießen. Ein an den Elektroden angebrachtes Voltmeter sollte 07 Volt bis 0,9 Volt anzeigen. Um einen kontinuierlichen Betrieb des Elements zu gewährleisten, muss der abgebrannte Brennstoff abgelassen (in ein Glas abgelassen) und neuer Brennstoff (durch einen Gummischlauch) hinzugefügt werden. Die Zufuhrgeschwindigkeit wird durch Zusammendrücken des Röhrchens gesteuert. So sieht der Betrieb einer Brennstoffzelle unter Laborbedingungen aus, deren Leistung verständlicherweise gering ist.

Um die Kraft größer zu machen, arbeiten Wissenschaftler seit langem an diesem Problem. Methanol- und Ethanol-Brennstoffzellen befinden sich auf dem aktiven Entwicklungsstahl. Aber leider gibt es bisher keine Möglichkeit, sie in die Praxis umzusetzen.

Warum die Brennstoffzelle als alternative Energiequelle gewählt wird

Als alternative Energiequelle wurde eine Brennstoffzelle gewählt, da das Endprodukt der Wasserstoffverbrennung darin Wasser ist. Das Problem besteht nur darin, einen kostengünstigen und effizienten Weg zur Wasserstofferzeugung zu finden. Die kolossalen Mittel, die in die Entwicklung von Wasserstoffgeneratoren und Brennstoffzellen investiert werden, tragen ihre Früchte, sodass der technologische Durchbruch und der reale Einsatz im Alltag nur eine Frage der Zeit sind.

Schon heute demonstrieren die Monster der Automobilindustrie: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard, Busse und Autos, die mit Brennstoffzellen mit einer Leistung von bis zu 50 kW betrieben werden. Die Probleme im Zusammenhang mit ihrer Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosten sind jedoch noch nicht gelöst. Wie bereits erwähnt, werden in diesem Fall im Gegensatz zu herkömmlichen Energiequellen - Batterien und Batterien - das Oxidationsmittel und der Brennstoff von außen zugeführt, und die Brennstoffzelle ist nur ein Vermittler in der laufenden Reaktion, um den Brennstoff zu verbrennen und die freigesetzte Energie in Elektrizität umzuwandeln . „Brennen“ tritt nur auf, wenn das Element Strom an die Last abgibt, wie ein dieselelektrischer Generator, jedoch ohne Generator und Diesel sowie ohne Lärm, Rauch und Überhitzung. Gleichzeitig ist die Effizienz deutlich höher, da es keine Zwischenmechanismen gibt.

Große Hoffnungen werden auf den Einsatz von Nanotechnologien und Nanomaterialien gesetzt, die helfen, Brennstoffzellen zu miniaturisieren und gleichzeitig ihre Leistung zu steigern. Es wurde berichtet, dass hocheffiziente Katalysatoren sowie Brennstoffzellenkonstruktionen ohne Membranen entwickelt wurden. In ihnen wird dem Element zusammen mit dem Oxidationsmittel Brennstoff (z. B. Methan) zugeführt. Interessant sind Lösungen, bei denen im Wasser gelöster Sauerstoff als Oxidationsmittel und in verschmutzten Gewässern anfallende organische Verunreinigungen als Brennstoff genutzt werden. Das sind die sogenannten Biobrennstoffzellen.

Brennstoffzellen können Experten zufolge in den kommenden Jahren in den Massenmarkt eintreten. veröffentlicht

Begleiten Sie uns auf

Die Inhaber des Patents RU 2379795:

Die Erfindung betrifft direkt wirkende Alkoholbrennstoffzellen, die feste Säureelektrolyte und interne Reformierungskatalysatoren verwenden. Das technische Ergebnis der Erfindung ist eine erhöhte spezifische Leistung und Spannung des Elements. Gemäß der Erfindung umfasst die Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode, einen festen Säureelektrolyten, eine Gasdiffusionsschicht und einen internen Reformierungskatalysator. Der interne Reformierungskatalysator kann jeden geeigneten Reformer umfassen und ist benachbart zu der Anode. Bei dieser Konfiguration ist die bei den exothermen Reaktionen am Brennstoffzellenkatalysator und der ohmschen Erwärmung des Brennstoffzellenelektrolyten erzeugte Wärme die treibende Kraft für die endotherme Brennstoffreformierungsreaktion, um den Alkoholbrennstoff in Wasserstoff umzuwandeln. Es kann jeder Alkoholbrennstoff wie Methanol oder Ethanol verwendet werden. 5 k. und 20 z.P. Fliege, 4 krank.

Technischen Bereich

Die Erfindung betrifft direkt wirkende Alkoholbrennstoffzellen unter Verwendung von festen Säureelektrolyten.

Der letzte Stand der Technik

Alkohole wurden in letzter Zeit intensiv als potenzielle Brennstoffe untersucht. Alkohole wie Methanol und Ethanol sind als Brennstoffe besonders wünschenswert, da sie eine spezifische Energie haben, die fünf- bis siebenmal so hoch ist wie die von herkömmlichem komprimiertem Wasserstoff. Beispielsweise entspricht ein Liter Methanol energetisch 5,2 Liter Wasserstoff, komprimiert auf 320 atm. Außerdem entspricht ein Liter Ethanol energetisch 7,2 Litern auf 350 atm komprimierten Wasserstoff. Solche Alkohole sind auch wünschenswert, weil sie leicht zu handhaben, zu lagern und zu transportieren sind.

Methanol und Ethanol waren Gegenstand zahlreicher Forschungen in Bezug auf alkoholische Kraftstoffe. Ethanol kann aus der Fermentation von zucker- und stärkehaltigen Pflanzen gewonnen werden. Methanol kann aus der Vergasung von Holz oder Altholz/Getreide (Stroh) gewonnen werden. Effizienter ist jedoch die Methanolsynthese. Diese Alkohole sind unter anderem erneuerbare Ressourcen und werden daher voraussichtlich eine wichtige Rolle sowohl bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen als auch bei der Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen spielen.

Brennstoffzellen wurden als Vorrichtungen vorgeschlagen, die die chemische Energie solcher Alkohole in elektrische Energie umwandeln. In dieser Hinsicht wurden direkt wirkende Alkoholbrennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembranen intensiv erforscht. Insbesondere wurden Direkt-Methanol-Brennstoffzellen und Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen untersucht. Jedoch war die Forschung an Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen aufgrund der relativen Schwierigkeit, Ethanol im Vergleich zu Methanol zu oxidieren, begrenzt.

Trotz dieser umfangreichen Forschungsanstrengungen bleibt die Leistung von direkt wirkenden Alkoholbrennstoffzellen unbefriedigend, hauptsächlich aufgrund der kinetischen Beschränkungen, die durch Elektrodenkatalysatoren auferlegt werden. Beispielsweise haben typische direkt wirkende Methanol-Brennstoffzellen eine Leistungsdichte von etwa 50 mW/cm 2 . Höhere spezifische Leistungspegel wurden erreicht, wie 335 mW/cm 2 , aber nur unter extrem rauen Bedingungen (Nafion®, 130 °C, Sauerstoff 5 atm und Methanol 1 M für eine Flussrate von 2 cc/min bei einem Druck von 1,8 ATM). In ähnlicher Weise hat eine Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle eine Leistungsdichte von 110 mW/cm 2 unter ähnlich extrem harten Bedingungen (Nafion ® Silica, 140°C, Anode 4 atm, Sauerstoff 5,5 atm). Dementsprechend besteht ein Bedarf an direkt wirkenden Alkoholbrennstoffzellen mit hohen Leistungsdichten in Abwesenheit solcher extremen Bedingungen.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Alkohol-Brennstoffzellen, die feste Säureelektrolyte enthalten und einen internen Reformierungskatalysator verwenden. Eine Brennstoffzelle umfasst im Allgemeinen eine Anode, eine Kathode, einen festen Säureelektrolyten und einen internen Reformer. Der Reformer sorgt für die Reformierung von Alkoholkraftstoff zur Erzeugung von Wasserstoff. Die treibende Kraft hinter der Reformierungsreaktion ist die Wärme, die während der exothermen Reaktionen in der Brennstoffzelle erzeugt wird.

Die Verwendung von Festsäureelektrolyten in der Brennstoffzelle ermöglicht es, den Reformer direkt neben der Anode zu platzieren. Dies wurde zuvor aufgrund der erhöhten Temperaturen, die für eine wirksame Funktion bekannter Reformierungsmaterialien erforderlich sind, und der Wärmeempfindlichkeit typischer Polymerelektrolytmembranen nicht für möglich gehalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Polymerelektrolytmembranen können Festsäureelektrolyte jedoch viel höheren Temperaturen standhalten, was es ermöglicht, den Reformer neben der Anode und damit nahe am Elektrolyten zu platzieren. Bei dieser Konfiguration wird die vom Elektrolyten erzeugte Abwärme vom Reformer absorbiert und treibt die endotherme Reformierungsreaktion an.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein graphischer Vergleich von Kurven zwischen Leistungsdichte und Zellspannung für Brennstoffzellen ist, die gemäß den Beispielen 1 und 2 und dem Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurden;

Fig. 3 ein graphischer Vergleich von Kurven zwischen Leistungsdichte und Zellspannung für Brennstoffzellen ist, die gemäß den Beispielen 3, 4 und 5 und dem Vergleichsbeispiel 2 erhalten wurden; und

Fig. 4 ist ein graphischer Vergleich der Kurven zwischen Leistungsdichte und Zellspannung für Brennstoffzellen, die gemäß den Vergleichsbeispielen 2 und 3 erhalten wurden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Direkt-Alkohol-Brennstoffzellen, die feste Säureelektrolyte enthalten und einen internen Reformierungskatalysator in physischem Kontakt mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) verwenden, die zum Reformieren von Alkoholbrennstoff zur Erzeugung von Wasserstoff ausgelegt ist. Wie oben angemerkt, bleibt die Leistung von Brennstoffzellen, die chemische Energie in Alkoholen direkt in elektrische Leistung umwandeln, aufgrund von kinetischen Beschränkungen, die durch Brennstoffzellen-Elektrodenkatalysatoren auferlegt werden, unbefriedigend. Es ist jedoch bekannt, dass diese kinetischen Grenzen stark reduziert werden, wenn Wasserstoffbrennstoff verwendet wird. Dementsprechend verwendet die vorliegende Erfindung einen Reformierungskatalysator oder Reformer zum Reformieren eines Alkoholkraftstoffs zu Wasserstoff, wodurch die mit dem Alkoholkraftstoff verbundenen kinetischen Beschränkungen verringert oder beseitigt werden. Alkoholbrennstoffe werden nach folgenden Reaktionsbeispielen dampfreformiert:

Methanol zu Wasserstoff: CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ;

Ethanol zu Wasserstoff: C 2 H 5 OH + 3 H 2 O → 6 H 2 + 2 CO 2 .

Die Reformierungsreaktion ist jedoch stark endotherm. Daher muss der Reformer erhitzt werden, um die Antriebskraft für die Reformierungsreaktion zu erhalten. Die erforderliche Wärmemenge beträgt typischerweise etwa 59 kJ pro Mol Methanol (entspricht der Verbrennung von etwa 0,25 Mol Wasserstoff) und etwa 190 kJ pro Mol Ethanol (äquivalent der Verbrennung von etwa 0,78 Mol Wasserstoff).

Durch den Durchgang von elektrischem Strom entsteht beim Betrieb der Brennstoffzellen Abwärme, deren effektive Abführung problematisch ist. Die Erzeugung dieser Abwärme macht es jedoch nahe, den Reformer direkt neben der Brennstoffzelle zu platzieren. Eine solche Konfiguration macht es möglich, Wasserstoff von dem Reformer zu der Brennstoffzelle zu liefern und die Brennstoffzelle zu kühlen, und ermöglicht es der Brennstoffzelle, den Reformer zu erwärmen und eine Antriebskraft für Reaktionen darin zu erzeugen. Diese Konfiguration wird in Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen und für Methanreformierungsreaktionen bei einer Temperatur von ungefähr 650°C verwendet. Alkohol-Reformierungsreaktionen laufen jedoch im Allgemeinen bei Temperaturen im Bereich von etwa 200°C bis etwa 350°C ab, und es wurde noch keine geeignete Alkohol-Reformierungs-Brennstoffzelle entwickelt.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche Brennstoffzelle unter Verwendung von Alkoholreformierung. Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält eine Brennstoffzelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein eine erste Stromkollektor/Gasdiffusionsschicht 12, eine Anode 12a, eine zweite Stromkollektor/Gasdiffusionsschicht 14, eine Kathode 14a, einen Elektrolyten 16 und einen internen Reformierungskatalysator 18. Der interne Reformierungskatalysator 18 ist neben der Anode 12a angeordnet. Genauer gesagt ist der Reformierungskatalysator 18 zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht 12 und der Anode 12a platziert. Es kann jeder bekannte geeignete Reformierkatalysator 18 verwendet werden.Nicht einschränkende Beispiele geeigneter Reformierkatalysatoren umfassenMischungen aus Cu-Zn-Al-Oxiden, Mischungen aus Cu-Co-Zn-Al-Oxiden und Mischungen ausCu-Zn-Al-Zr-Oxiden .

Jeder Alkoholbrennstoff wie Methanol, Ethanol und Propanol kann verwendet werden. Außerdem kann Dimethylether als Brennstoff verwendet werden.

In der Vergangenheit wurde diese Konfiguration für Alkoholbrennstoffzellen aufgrund der endothermen Natur der Reformierungsreaktion und der Wärmeempfindlichkeit des Elektrolyten als nicht möglich angesehen. Typische Alkoholbrennstoffzellen verwenden Polymerelektrolytmembranen, die der zum Antreiben des Reformierungskatalysators erforderlichen Wärme nicht standhalten können. Die in den Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektrolyte enthalten jedoch feste Säureelektrolyte, wie diejenigen, die in der zum US-Patent anhängigen US-Patentanmeldung 10/139043 mit dem Titel PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID beschrieben sind, deren gesamter Inhalt ebenfalls eingeschlossen ist hierin durch Bezugnahme. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer festen Säure, die zur Verwendung als Elektrolyt in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist CsH 2 PO 4 . Die in den Brennstoffzellen dieser Erfindung verwendeten festen Säureelektrolyten können viel höheren Temperaturen widerstehen, was es möglich macht, den Reformierungskatalysator direkt neben der Anode anzuordnen. Außerdem verbraucht die endotherme Reformierungsreaktion die bei den exothermen Reaktionen in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme, wodurch ein thermisch ausgeglichenes System gebildet wird.

Diese festen Säuren werden in ihren superprotonischen Phasen verwendet und wirken als protonenleitende Membranen über einen Temperaturbereich von etwa 100°C bis etwa 350°C. Das obere Ende dieses Temperaturbereichs ist ideal für die Reformierung von Methanol. Um genug Wärme zu erzeugen, um eine treibende Kraft für die Reformierungsreaktion zu erzeugen, und um Protonenleitfähigkeit des festen sauren Elektrolyten bereitzustellen, wird die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von etwa 100°C bis etwa 500°C betrieben. Es ist jedoch stärker bevorzugt, die Brennstoffzelle bei Temperaturen im Bereich von etwa 200°C bis etwa 350°C zu betreiben. Zusätzlich zur starken Verbesserung der Leistung von Alkohol-Brennstoffzellen können die relativ hohen Betriebstemperaturen der Alkohol-Brennstoffzellen der Erfindung den Ersatz von teuren Metallkatalysatoren wie Pt/Ru und Pt an der Anode bzw. Kathode durch weniger ermöglichen teure Katalysatormaterialien.

Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele veranschaulichen die überlegene Leistung der Alkohol-Brennstoffzellen der Erfindung. Diese Beispiele dienen jedoch nur der Veranschaulichung und sollten nicht als Einschränkung der Erfindung auf diese Beispiele angesehen werden.

Beispiel 1 Methanol-Brennstoffzelle

Als Anodenelektrokatalysator wurden 13 mg/cm² Pt/Ru verwendet. Cu (30 Gew.-%) – Zn (20 Gew.-%) – Al wurde als interner Reformierungskatalysator verwendet. Als Kathodenelektrokatalysator wurden 15 mg/cm² Pt verwendet. Als Elektrolyt wurde eine CsH 2 PO 4 -Membran mit einer Dicke von 160 µm verwendet. Dampfgemische aus Methanol und Wasser wurden mit einer Flussrate von 100 &mgr;l/min in den Anodenraum eingespeist. 30 % befeuchteter Sauerstoff wurde mit einer Flussrate von 50 cm 3 /min (Standardtemperatur und -druck) auf die Kathode aufgebracht. Das Methanol:Wasser-Verhältnis betrug 25:75. Die Temperatur des Elements wurde auf 260°C eingestellt.

Beispiel 2 Ethanol-Brennstoffzelle

Als Anodenelektrokatalysator wurden 13 mg/cm² Pt/Ru verwendet. Cu (30 Gew.-%) – Zn (20 Gew.-%) – Al wurde als interner Reformierungskatalysator verwendet. Als Kathodenelektrokatalysator wurden 15 mg/cm² Pt verwendet. Als Elektrolyt wurde eine CsH 2 PO 4 -Membran mit einer Dicke von 160 µm verwendet. Dampfgemische aus Ethanol und Wasser wurden mit einer Flussrate von 100 &mgr;l/min in den Anodenraum eingespeist. 30 % befeuchteter Sauerstoff wurde mit einer Flussrate von 50 cm 3 /min (Standardtemperatur und -druck) auf die Kathode aufgebracht. Das Verhältnis von Ethanol:Wasser war 15:85. Die Temperatur des Elements wurde auf 260°C eingestellt.

Vergleichsbeispiel 1 Brennstoffzelle unter Verwendung von reinem H 2

Als Anodenelektrokatalysator wurden 13 mg/cm² Pt/Ru verwendet. Als Kathodenelektrokatalysator wurden 15 mg/cm² Pt verwendet. Als Elektrolyt wurde eine CsH 2 PO 4 -Membran mit einer Dicke von 160 µm verwendet. 3 % befeuchteter Wasserstoff wurde dem Anodenraum mit einer Flussrate von 100 &mgr;l/min zugeführt. 30 % befeuchteter Sauerstoff wurde mit einer Flussrate von 50 cm 3 /min (Standardtemperatur und -druck) auf die Kathode aufgebracht. Die Temperatur des Elements wurde auf 260°C eingestellt.

2 zeigt Kurven zwischen Leistungsdichte und Zellspannung für die Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiel 1. Wie gezeigt erreicht die Methanol-Brennstoffzelle (Beispiel 1) eine Spitzenleistungsdichte von 69 mW/cm, die Zelle erreicht eine Spitzenleistungsdichte von 53 mW /cm 2 und einer Wasserstoff-Brennstoffzelle (Vergleichsbeispiel 1) erreicht eine Spitzenleistungsdichte von 80

mW/cm2. Diese Ergebnisse zeigen, dass die gemäß Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Brennstoffzellen sehr ähnlich sind, was darauf hinweist, dass die Methanol-Brennstoffzelle mit dem Reformer eine Leistung zeigt, die fast so gut ist wie die der Wasserstoff-Brennstoffzelle, was eine signifikante Verbesserung darstellt. Wie jedoch in den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen gezeigt wird, wird durch Verringerung der Dicke des Elektrolyten eine zusätzliche Erhöhung der Leistungsdichte erreicht.

Die Brennstoffzelle wurde durch Aufschlämmungsabscheidung von CsH 2 PO 4 auf einem porösen Edelstahlträger hergestellt, der sowohl als Gasdiffusionsschicht als auch als Stromkollektor diente. Die Kwurde zuerst auf der Gasdiffusionsschicht abgeschieden und dann gepresst, bevor die Elektrolytschicht abgeschieden wurde. Danach wurde eine Schicht eines Anodenelektrokatalysators abgeschieden, gefolgt von der Platzierung einer zweiten Gasdiffusionselektrode als letzte Schicht der Struktur.

Als Anodenelektrode wurde eine Mischung aus CsH 2 PO 4 , Pt (50 Atom-Gew.%) Ru, Pt (40 Gew.%) – Ru (20 Gew.%) auf C (40 Gew.%) und Naphthalin abgeschieden wurde benutzt. Das Verhältnis der Komponenten in einer Mischung von CsH 2 PO 4 :Pt-Ru:Pt-Ru-C:Naphthalin betrug 3:3:1:0,5 (Gew.). Die Mischung wurde in einer Gesamtmenge von 50 mg verwendet. Download Pt und Ru waren 5,6 mg/cm 2 bzw. 2,9 mg/cm 2 . Die Fläche der Anodenelektrode war gleich 1,74 cm 2 .

Als Kathodenelektrode wurde eine Mischung aus CsH 2 PO 4 , Pt, Pt (50 Gew.-%), abgeschieden auf C (50 Gew.-%) und Naphthalin verwendet. Das Verhältnis der Komponenten in einer Mischung von CsH 2 PO 4 :Pt:Pt-C:Naphthalin betrug 3:3:1:1 (Gew.). Die Mischung wurde in einer Gesamtmenge von 50 mg verwendet. Die Pt-Beladungen betrugen 7,7 mg/cm 2 . Die Fläche der Kathode betrug 2,3-2,9 cm 1 .

Als Reformierungskatalysator wurde CuO (30 Gew.-%) – ZnO (20 Gew.-%) – Al 2 O 3 verwendet, dh CuO (31 Mol-%) – ZnO (16 Mol-%) – Al 2 O 3 . Der Reformierungskatalysator wurde durch ein Mitfällungsverfahren unter Verwendung einer Lösung von Kupfer-, Zink- und Aluminiumnitrat (Gesamtmetallkonzentration war 1 mol/l) und einer wässrigen Lösung von Natriumcarbonaten (1,1 mol/l) hergestellt. Der Niederschlag wurde mit entionisiertem Wasser gewaschen, abfiltriert und 12 Stunden bei 120°C an der Luft getrocknet. Das getrocknete Pulver in einer Menge von 1 g wurde leicht auf eine Dicke von 3,1 mm und einen Durchmesser von 15,6 mm gepresst und dann bei 350°C für 2 Stunden calciniert.

Als Elektrolyt wurde eine CsH 2 PO 4 -Membran mit einer Dicke von 47 µm verwendet.

Eine Methanol-Wasser-Lösung (43 Vol.-% oder 37 Gew.-% oder 25 Mol-% oder 1,85 M Methanol) wurde durch einen Glasverdampfer (200°C) mit einer Flussrate von 135 &mgr;l/min geleitet. Die Temperatur des Elements wurde auf 260°C eingestellt.

Die Brennstoffzelle wurde gemäß dem obigen Beispiel 3 hergestellt, außer dass durch den Verdampfer (200°C) mit einer Flussrate von 114 &mgr;l/min nicht ein Gemisch aus Methanol-Wasser, sondern ein Gemisch aus Ethanol-Wasser ( 36 % Vol. oder 31 % der Masse oder 15 % Mol. oder 0,98 M Ethanol).

Die Brennstoffzelle wurde gemäß obigem Beispiel 3 hergestellt, außer dass bei einer Flussrate von 100 &mgr;l/min Wodka (Absolut Vodka, Schweden) (40 Vol.-% oder 34 Gew.-% oder 17 Molprozent) zugeführt wurde anstelle von Methanol-Wasser. . Ethanol).

Vergleichsbeispiel 2

Eine Brennstoffzelle wurde gemäß Beispiel 3 oben hergestellt, außer dass getrockneter Wasserstoff bei 100 sccm angefeuchtet mit heißem Wasser (70°C) anstelle von Methanol-Wasser verwendet wurde.

Vergleichsbeispiel 3

Eine Brennstoffzelle wurde gemäß Beispiel 3 oben hergestellt, außer dass kein Reformierungskatalysator verwendet wurde und die Zellentemperatur auf 240°C eingestellt wurde.

Vergleichsbeispiel 4

Eine Brennstoffzelle wurde gemäß Vergleichsbeispiel 2 hergestellt, außer dass die Zellentemperatur auf 240°C eingestellt wurde.

3 zeigt Kurven zwischen Leistungsdichte und Zellspannung für die Beispiele 3, 4 und 5 und Vergleichsbeispiel 2. Wie gezeigt erreicht die Methanol-Brennstoffzelle (Beispiel 3) eine Spitzenleistungsdichte von 224 mW/cm 2 , was eine signifikante Steigerung ist spezifische Leistung im Vergleich zu der gemäß Beispiel 1 erhaltenen Brennstoffzelle mit einem viel dickeren Elektrolyten. Diese Methanol-Brennstoffzelle zeigt auch eine dramatische Leistungsverbesserung gegenüber Methanol-Brennstoffzellen, die keinen internen Reformer verwenden, was besser in 4 gezeigt wird. Die Ethanol-Brennstoffzelle (Beispiel 4) zeigt auch eine erhöhte Leistungsdichte und Zellspannung im Vergleich zu einer Ethanol-Brennstoffzelle mit einer dickeren Elektrolytmembran (Beispiel 2). Wie gezeigt, arbeitet die Methanol-Brennstoffzelle (Beispiel 3) jedoch besser als die Ethanol-Brennstoffzelle (Beispiel 4). Für eine Wodka-Brennstoffzelle (Beispiel 5) werden spezifische Leistungen erreicht, die mit denen einer Ethanol-Brennstoffzelle vergleichbar sind. Wie in 3 gezeigt, zeigt die Methanol-Brennstoffzelle (Beispiel 3) eine Leistung, die etwa so gut ist wie die der Wasserstoff-Brennstoffzelle (Vergleichsbeispiel 2).

Fig. 4 zeigt die Leistungsdichte-gegen-Zellspannung-Kurven für die Vergleichsbeispiele 3 und 4. Wie gezeigt erreicht eine Methanol-Brennstoffzelle ohne Reformer (Vergleichsbeispiel 3) deutlich niedrigere Leistungsdichten als jene, die mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle (Vergleichsbeispiel 4) erreicht werden. Außerdem zeigen die Figuren 2, 3 und 4, dass im Vergleich zu einer Methanol-Brennstoffzelle ohne Reformer (Vergleichsbeispiel 3) für Methanol-Brennstoffzellen mit Reformern (Beispiele 1 und 3) deutlich höhere Leistungsdichten erreicht werden.

Die vorstehende Beschreibung wurde vorgelegt, um die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorzustellen. Fachleute auf dem einschlägigen Gebiet und der Technologie, auf die sich diese Erfindung bezieht, sollten verstehen, dass Änderungen und Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne wesentlich von den Prinzipien, dem Umfang und dem Geist dieser Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollte die vorstehende Beschreibung nicht so verstanden werden, dass sie sich nur auf die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen bezieht, sondern sollte vielmehr so ​​verstanden werden, dass sie mit den folgenden Ansprüchen übereinstimmt und diese begründet, die den vollständigsten und objektivsten Umfang der Erfindung enthalten.

1. Brennstoffzelle, umfassend: eine elektrokatalytische Anodenschicht, eine elektrokatalytische Kathodenschicht, eine eine feste Säure enthaltende Elektrolytschicht, eine Gasdiffusionsschicht und einen internen Reformierungskatalysator, der angrenzend an die elektrokatalytische Anodenschicht so angeordnet ist, dass der interne Reformierungskatalysator angeordnet ist zwischen der elektrokatalytischen Anodenschicht und der Gasdiffusionsschicht und steht in physischem Kontakt mit der elektrokatalytischen Anodenschicht.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der saure Festelektrolyt CsH 2 PO 4 enthält.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Reformierungskatalysator aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cu-Zn-Al-Oxidmischungen, Cu-Co-Zn-Al-Oxidmischungen und Cu-Zn-Al-Zr-Oxidmischungen besteht.

4. Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, einschließlich:





Kraftstoffversorgung; und Betreiben der Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von etwa 100°C bis etwa 500°C.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kraftstoff Alkohol ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Brennstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol und Dimethylether.

7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 350°C betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Reformierungskatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cu-Zn-Al-Oxidmischungen, Cu-Co-Zn-Al-Oxidmischungen und Cu-Zn-Al-Zr-Oxidmischungen.

9. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Elektrolyt eine feste Säure enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die feste Säure CsH 2 PO 4 enthält.

11. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, umfassend:
Bildung einer elektrokatalytischen Anodenschicht;
Bildung einer elektrokatalytischen Kathodenschicht;
Bilden einer Elektrolytschicht, die eine feste Säure enthält;
Bildung einer Gasdiffusionsschicht und
Bilden eines internen Reformierungskatalysators angrenzend an die elektrokatalytische Anodenschicht, so dass der interne Reformierungskatalysator zwischen der elektrokatalytischen Anodenschicht und der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist und in physischem Kontakt mit der elektrokatalytischen Anodenschicht steht;
Kraftstoffversorgung; und Betreiben der Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 350°C.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Kraftstoff Alkohol ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Brennstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol und Dimethylether.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Reformierkatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cu-Zn-Al-Oxidmischungen, Cu-Co-Zn-Al-Oxidmischungen und Cu-Zn-Al-Zr-Oxidmischungen.

15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Elektrolyt eine feste Säure enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die feste Säure CsH 2 PO 4 enthält.

17. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, einschließlich:
Bildung einer elektrokatalytischen Anodenschicht;
Bildung einer elektrokatalytischen Kathodenschicht;
Bilden einer Elektrolytschicht, die eine feste Säure enthält;
Bildung einer Gasdiffusionsschicht und
Bilden eines internen Reformierungskatalysators angrenzend an die elektrokatalytische Anodenschicht, so dass der interne Reformierungskatalysator zwischen der elektrokatalytischen Anodenschicht und der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist und in physischem Kontakt mit der elektrokatalytischen Anodenschicht steht;
Lieferung von alkoholischem Kraftstoff; und Betreiben der Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von etwa 100°C bis etwa 500°C.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Brennstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol und Dimethylether.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 350°C betrieben wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Reformierkatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cu-Zn-Al-Oxidmischungen, Cu-Co-Zn-Al-Oxidmischungen und Cu-Zn-Al-Zr-Oxidmischungen.

Verfahren nach Anspruch 17, wobei der feste saure Elektrolyt CsH 2 PO 4 enthält.

22. Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, einschließlich:
Bildung einer elektrokatalytischen Anodenschicht;
Bildung einer elektrokatalytischen Kathodenschicht;
Bilden einer Elektrolytschicht, die eine feste Säure enthält;
Bildung einer Gasdiffusionsschicht und
Bilden eines internen Reformierungskatalysators angrenzend an die elektrokatalytische Anodenschicht, so dass der interne Reformierungskatalysator zwischen der elektrokatalytischen Anodenschicht und der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist und in physischem Kontakt mit der elektrokatalytischen Anodenschicht steht;
Lieferung von alkoholischem Kraftstoff; und Betreiben der Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 350°C.

Die Erfindung betrifft direkt wirkende Alkoholbrennstoffzellen, die feste Säureelektrolyte und interne Reformierungskatalysatoren verwenden