Was ist eine brennstoffzelle. Brennstoffzellen: ein Jahr der Hoffnung

KRAFTSTOFFELEMENT
ein elektrochemischer Generator, ein Gerät, das chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Während bei elektrischen Batterien dasselbe passiert, haben Brennstoffzellen zwei wichtige Unterschiede: 1) Sie funktionieren, solange der Brennstoff und das Oxidationsmittel von einer externen Quelle zugeführt werden; 2) die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten ändert sich während des Betriebs nicht, d.h. die Brennstoffzelle muss nicht aufgeladen werden.
siehe auch STROMVERSORGUNG BATTERIE.
Funktionsprinzip. Die Brennstoffzelle (Abb. 1) besteht aus zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, und Systemen zur Zufuhr von Brennstoff zu einer Elektrode und Oxidationsmittel zu der anderen sowie einem System zur Entfernung von Reaktionsprodukten. In den meisten Fällen werden Katalysatoren verwendet, um eine chemische Reaktion zu beschleunigen. Ein externer Stromkreis verbindet die Brennstoffzelle mit einem Verbraucher, der Strom verbraucht.

Im Bild in Abb. Bei einer sauren Brennstoffzelle wird Wasserstoff durch die Hohlanode und durch sehr feine Poren im Elektrodenmaterial in den Elektrolyten geleitet. Dabei kommt es zur Zersetzung von Wasserstoffmolekülen in Atome, die durch Chemisorption jeweils ein Elektron abgeben und sich in positiv geladene Ionen verwandeln. Dieser Vorgang lässt sich durch die folgenden Gleichungen beschreiben:

Wasserstoffionen diffundieren durch den Elektrolyten zur positiven Seite der Zelle. Der der Kathode zugeführte Sauerstoff gelangt in den Elektrolyten und reagiert auch an der Elektrodenoberfläche unter Beteiligung eines Katalysators. Wenn es sich mit Wasserstoffionen und Elektronen verbindet, die aus dem äußeren Kreislauf kommen, entsteht Wasser:

In Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyt (meist konzentrierte Natrium- oder Kaliumhydroxide) laufen ähnliche chemische Reaktionen ab. Wasserstoff passiert die Anode und reagiert in Gegenwart eines Katalysators mit im Elektrolyten vorhandenen Hydroxylionen (OH-) zu Wasser und einem Elektron:

An der Kathode reagiert Sauerstoff mit dem Wasser im Elektrolyten und Elektronen aus dem äußeren Kreislauf. In aufeinanderfolgenden Reaktionsstufen werden Hydroxylionen (und auch Perhydroxyl O2H-) gebildet. Die resultierende Reaktion an der Kathode kann geschrieben werden als:

Der Elektronen- und Ionenfluss hält das Ladungs- und Stoffgleichgewicht im Elektrolyten aufrecht. Das resultierende Wasser verdünnt den Elektrolyten teilweise. In jeder Brennstoffzelle wird ein Teil der Energie einer chemischen Reaktion in Wärme umgewandelt. Der Elektronenfluss im äußeren Stromkreis ist ein Gleichstrom, der verwendet wird, um Arbeit zu verrichten. Die meisten Reaktionen in Brennstoffzellen liefern eine EMF von etwa 1 V. Das Öffnen des Kreislaufs oder das Stoppen der Bewegung von Ionen stoppt den Betrieb der Brennstoffzelle. Der Prozess, der in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle abläuft, ist von Natur aus das Gegenteil des bekannten Elektrolyseprozesses, bei dem Wasser dissoziiert, wenn ein elektrischer Strom durch den Elektrolyten fließt. Tatsächlich kann bei einigen Brennstoffzellentypen der Prozess umgekehrt werden – durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden, die an den Elektroden gesammelt werden können. Wenn Sie das Laden der Zelle beenden und eine Last daran anschließen, nimmt eine solche regenerative Brennstoffzelle sofort ihren Betrieb im Normalmodus auf. Theoretisch können die Abmessungen der Brennstoffzelle beliebig groß sein. In der Praxis werden jedoch mehrere Zellen zu kleinen Modulen oder Batterien zusammengefasst, die entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Brennstoffzellentypen. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Sie können beispielsweise nach dem verwendeten Kraftstoff, Betriebsdruck und Temperatur, nach Art der Anwendung klassifiziert werden.
Wasserstoff-Brennstoffzellen. In dieser oben beschriebenen typischen Zelle werden Wasserstoff und Sauerstoff durch mikroporöse Kohlenstoff- oder Metallelektroden auf den Elektrolyten übertragen. Eine hohe Stromdichte wird in Zellen erreicht, die bei erhöhten Temperaturen (ca. 250°C) und hohen Drücken betrieben werden. Zellen, die Wasserstoff-Brennstoff verwenden, der aus der Verarbeitung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen wie Erdgas oder Erdölprodukten gewonnen wird, werden wahrscheinlich die am weitesten verbreiteten kommerziellen Anwendungen finden. Durch die Kombination einer Vielzahl von Elementen können Sie leistungsstarke Energieinstallationen erstellen. In diesen Anlagen wird der von den Elementen erzeugte Gleichstrom mit Standardparametern in Wechselstrom umgewandelt. Eine neue Art von Elementen, die bei Normaltemperatur und -druck mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeiten können, sind Elemente mit Ionenaustauschermembranen (Abb. 2). Bei diesen Zellen befindet sich anstelle eines flüssigen Elektrolyten zwischen den Elektroden eine Polymermembran, durch die Ionen ungehindert hindurchtreten. In solchen Elementen kann Luft zusammen mit Sauerstoff verwendet werden. Das beim Betrieb der Zelle gebildete Wasser löst den Festelektrolyten nicht auf und kann leicht entfernt werden.

Colliers Enzyklopädie. - Offene Gesellschaft. 2000 .

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BRENNSTOFFZELLE, ELEKTROCHEMISCHES ELEMENT zur direkten Umwandlung von Brennstoff-Oxidationsenergie in elektrische Energie. Entsprechend ausgelegte Elektroden werden in ELEKTROLYT getaucht und einem Brennstoff (zB Wasserstoff) zugeführt ... Wissenschaftliches und technisches enzyklopädisches Wörterbuch

Eine galvanische Zelle, in der die Redoxreaktion durch eine kontinuierliche Zufuhr von Reagenzien (Brennstoff, zB Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, zB Sauerstoff) aus speziellen Tanks unterstützt wird. Die wichtigste Komponente ... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Brennstoffzelle- Eine Primärzelle, in der elektrische Energie durch elektrochemische Reaktionen zwischen aktiven Substanzen erzeugt wird, die den Elektroden kontinuierlich von außen zugeführt werden. [GOST 15596 82] DE Brennstoffzellenzelle, die chemische Energie aus…… Leitfaden für technische Übersetzer

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das einer galvanischen Zelle ähnlich ist, sich aber von dieser unterscheidet ... Wikipedia

Brennstoffzellen (elektrochemische Generatoren) stellen eine hocheffiziente, langlebige, zuverlässige und umweltfreundliche Methode zur Energieerzeugung dar. Wurden sie zunächst nur in der Raumfahrtindustrie eingesetzt, werden elektrochemische Generatoren heute zunehmend in verschiedenen Bereichen eingesetzt: Dies sind Stromversorgungen für Mobiltelefone und Laptops, Fahrzeugmotoren, autarke Stromversorgungen für Gebäude, stationäre Kraftwerke. Einige dieser Geräte arbeiten als Laborprototypen, einige dienen zu Demonstrationszwecken oder befinden sich in Vorserientests. Viele Modelle werden jedoch bereits in kommerziellen Projekten eingesetzt und werden in Serie produziert.

Gerät

Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die eine hohe Umwandlungsrate von vorhandener chemischer Energie in elektrische Energie bereitstellen können.

Das Brennstoffzellengerät besteht aus drei Hauptteilen:

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

Der Hauptteil der Brennstoffzelle ist der Stromerzeugungsabschnitt, bei dem es sich um einen Stapel aus einzelnen Brennstoffzellen handelt. Ein Platinkatalysator ist in der Struktur der Elektroden der Brennstoffzellen enthalten. Mit Hilfe dieser Zellen wird ein konstanter elektrischer Strom erzeugt.

Eines dieser Geräte hat folgende Eigenschaften: Bei einer Spannung von 155 Volt werden 1400 Ampere ausgegeben. Der Akku misst 0,9 m in Breite und Höhe und 2,9 m Länge. Der elektrochemische Prozess darin wird bei einer Temperatur von 177 ° C durchgeführt, was ein Erwärmen der Batterie beim Start sowie eine Wärmeabfuhr während des Betriebs erfordert. Dazu ist in der Brennstoffzelle ein separater Wasserkreislauf inklusive der Batterie mit speziellen Kühlplatten ausgestattet.

Der Brennstoffprozess wandelt Erdgas in Wasserstoff um, der für eine elektrochemische Reaktion benötigt wird. Das Hauptelement des Brennstoffprozessors ist der Reformer. Darin interagiert Erdgas (oder ein anderer wasserstoffhaltiger Brennstoff) bei hohem Druck und hoher Temperatur (ca. 900 ° C) mit Wasserdampf unter der Wirkung eines Katalysators - Nickel.

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

Auch im Spannungswandlerblock befinden sich:

• 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 befindet, sowie Kathoden- und Anodenkatalysatoren. Als Elektrolyt dient die Polymermembran.

• Die Protonenaustauschmembran sieht aus wie eine dünne feste organische Verbindung mit geringer Dicke. Diese Membran wirkt als Elektrolyt, sie teilt die Substanz in Gegenwart von Wasser in negativ und positiv geladene Ionen auf.
• An der Anode beginnt die Oxidation, an der Kathode erfolgt die Reduktion. Kathode und Anode einer PEM-Zelle bestehen aus einem porösen Material, es ist eine Mischung aus Platin- und Kohlenstoffpartikeln. Platin wirkt als Katalysator, der die Dissoziationsreaktion erleichtert. Kathode und Anode sind porös gemacht, damit Sauerstoff und Wasserstoff ungehindert hindurchtreten können.
• Anode und Kathode befinden sich zwischen zwei Metallplatten, sie versorgen Kathode und Anode mit Sauerstoff und Wasserstoff und führen elektrische Energie, Wärme und Wasser ab.
• Wasserstoffmoleküle gelangen durch die Kanäle in der Platte zur Anode, wo die Moleküle in Atome zerlegt werden.
• Durch Chemisorption werden Wasserstoffatome bei Einwirkung eines Katalysators in positiv geladene Wasserstoffionen H +, also Protonen, umgewandelt.
• Protonen diffundieren durch die Membran zur Kathode, und der Elektronenfluss geht über einen speziellen externen Stromkreis zur Kathode. Daran ist eine Last angeschlossen, also ein Verbraucher elektrischer Energie.
• Der Kathode zugeführter Sauerstoff geht bei Exposition eine chemische Reaktion mit Elektronen aus dem externen Stromkreis und Wasserstoffionen aus der Protonenaustauschmembran ein. Bei dieser chemischen Reaktion entsteht Wasser.

Die chemische Reaktion, die bei anderen Brennstoffzellentypen (zB mit einem sauren Elektrolyten in Form von Phosphorsäure H3PO4) abläuft, ist völlig identisch mit der Reaktion eines Gerätes mit einer Protonenaustauschmembran.

Ansichten

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

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

Derzeit haben sich elektrochemische Generatoren mit PAFC-Technologie verbreitet.

Anwendung

Heute werden Brennstoffzellen in Space Shuttle, wiederverwendbaren Raumfahrzeugen, verwendet. Sie verwenden Installationen mit einer Leistung von 12 Watt. Sie erzeugen den gesamten Strom im Raumfahrzeug. Das bei der elektrochemischen Reaktion erzeugte Wasser wird zum Trinken einschließlich Kühlgeräten verwendet.

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 autarke Quellen zur Wärme- und Stromversorgung von Industrie-, öffentlichen und Wohngebäuden, Not- und Notstromversorgungen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen eingesetzt.
• Tragbare Geräte mit einer Leistung von 1–50 kW. Sie werden für Weltraumsatelliten und -schiffe verwendet. Kopien für Golfcarts, Rollstühle, Eisenbahn- und Frachtkühlschränke, Straßenschilder werden erstellt.
• Mobile Einheiten mit einer Leistung von 25–150 kW. Sie beginnen, in Kriegsschiffen und U-Booten, einschließlich Autos und anderen Fahrzeugen, eingesetzt zu werden. Prototypen wurden bereits von Automobilgiganten wie Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford und anderen erstellt.
• Mikrogeräte mit einer Leistung von 1–500 Watt. Sie werden in erfahrenen Taschencomputern, Laptops, Unterhaltungselektronikgeräten, Mobiltelefonen und modernen Militärgeräten verwendet.

Besonderheiten

• Ein Teil der chemischen Reaktionsenergie in jeder Brennstoffzelle wird als Wärme freigesetzt. Kühlung erforderlich. Im externen Stromkreis erzeugt der Elektronenfluss einen konstanten Strom, der verwendet wird, um die Arbeit zu verrichten. Die Beendigung der Bewegung von Wasserstoffionen oder das Öffnen des äußeren Kreislaufs führt zum Abbruch der chemischen Reaktion.
• Die von Brennstoffzellen erzeugte Strommenge wird durch Gasdruck, Temperatur, geometrische Abmessungen und den Typ der Brennstoffzelle bestimmt. Um die durch die Reaktion erzeugte Strommenge zu erhöhen, kann die Größe der Brennstoffzellen vergrößert werden, in der Praxis werden jedoch mehrere Zellen verwendet, die zu Batterien zusammengefasst werden.
• Der chemische Prozess in einigen Brennstoffzellentypen kann umgekehrt werden. Das heißt, wenn an die Elektroden eine Potentialdifferenz angelegt wird, kann das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden, die sich an den porösen Elektroden sammeln. Beim Einschalten der Last erzeugt eine solche Brennstoffzelle elektrische Energie.

Perspektiven

Derzeit erfordern elektrochemische Generatoren zur Verwendung als Hauptenergiequelle hohe Anschaffungskosten. Mit der Einführung stabilerer Membranen mit hoher Leitfähigkeit, effizienter und kostengünstiger Katalysatoren und alternativer Wasserstoffquellen werden Brennstoffzellen wirtschaftlich hochattraktiv und werden überall eingeführt.

• Die Autos werden mit Brennstoffzellen betrieben, es wird keinen Verbrennungsmotor mehr geben. Als Energiequelle wird Wasser oder fester Wasserstoff verwendet. Das Tanken wird einfach und sicher und das Fahren ist umweltfreundlich – es wird nur Wasserdampf erzeugt.
• Alle Gebäude werden über eigene tragbare Brennstoffzellen-Stromgeneratoren verfügen.
• Elektrochemische Generatoren werden alle Batterien ersetzen und in allen elektronischen und Haushaltsgeräten zu finden sein.

Vorteile und Nachteile

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

Generell lassen sich folgende Vorteile von Brennstoffzellen nennen:

• 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 zählen:

• technische Schwierigkeiten bei der Brennstofflagerung und beim Transport;
• unvollkommene Elemente des Geräts: Katalysatoren, Membranen usw.

Brennstoffzelle- Was ist das? Wann und wie ist es erschienen? Warum wird es gebraucht und warum wird in unserer Zeit so oft darüber gesprochen? Was sind ihr Umfang, ihre Eigenschaften und Eigenschaften? Unaufhaltsamer Fortschritt erfordert Antworten auf all diese Fragen!

Was ist eine Brennstoffzelle?

Brennstoffzelle ist eine chemische Stromquelle oder ein elektrochemischer Generator, eine Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie. Im modernen Leben werden chemische Stromquellen überall verwendet und sind Batterien für Mobiltelefone, Laptops, PDAs sowie Akkus in Autos, unterbrechungsfreie Stromversorgungen usw. Die nächste Entwicklungsstufe in diesem Bereich wird die Allgegenwart von Brennstoffzellen sein, und das ist bereits eine unumstößliche Tatsache.

Die Geschichte der Brennstoffzellen

Die Geschichte der Brennstoffzellen ist eine andere Geschichte darüber, wie die Eigenschaften der Materie, die einst auf der Erde entdeckt wurde, weit im Weltraum Anwendung fanden und um die Jahrtausendwende vom Himmel auf die Erde zurückkehrten.

Alles begann im Jahr 1839 als der deutsche Chemiker Christian Schönbein im Philosophical Journal die Prinzipien der Brennstoffzelle veröffentlichte. Im selben Jahr entwarf ein Engländer, ein Absolvent von Oxford, William Robert Grove eine galvanische Zelle, die später als galvanische Zelle von Grove bezeichnet wurde und auch als erste Brennstoffzelle anerkannt wird. Den Namen „Brennstoffzelle“ erhielt die Erfindung im Jahr ihres Jubiläums – 1889. Ludwig Mond und Karl Langer sind die Autoren des Begriffs.

Etwas früher, im Jahr 1874, sagte Jules Verne in seinem Roman „Die mysteriöse Insel“ die aktuelle Energiesituation voraus und schrieb: „Wasser wird eines Tages als Brennstoff verwendet, Wasserstoff und Sauerstoff werden verwendet, woraus es besteht“.

Inzwischen wurde die neue Stromversorgungstechnologie nach und nach verbessert, und seit den 50er Jahren des XX Jahrhunderts ist kein Jahr vergangen, in dem die neuesten Erfindungen auf diesem Gebiet nicht angekündigt wurden. 1958 erschien der erste Brennstoffzellen-Traktor in den Vereinigten Staaten, 1959. ein 5kW Netzteil für ein Schweißgerät wurde freigegeben usw. In den 70er Jahren hob die Wasserstofftechnologie ins All ab: Flugzeuge und Wasserstoff-Raketentriebwerke tauchten auf. In den 60er Jahren entwickelte RSC Energia Brennstoffzellen für das sowjetische Mondprogramm. Auch das Buran-Programm kam nicht ohne sie aus: Es wurden 10 kW alkalische Brennstoffzellen entwickelt. Und gegen Ende des Jahrhunderts überquerten Brennstoffzellen die Nullhöhe über dem Meeresspiegel - auf ihrer Basis Energieversorgung Deutsches U-Boot. Zurück zur Erde wurde 2009 die erste Lokomotive in den USA in Betrieb genommen. Natürlich auf Brennstoffzellen.

Interessanterweise ist das Rad in der schönen Geschichte der Brennstoffzellen immer noch eine beispiellose Erfindung in der Natur. Tatsache ist, dass Brennstoffzellen in Aufbau und Funktionsweise einer biologischen Zelle ähnlich sind, bei der es sich um eine Miniatur-Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle handelt. Dadurch hat der Mensch wieder einmal erfunden, was die Natur seit Jahrmillionen nutzt.

Wie Brennstoffzellen funktionieren

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen ist sogar aus dem Chemielehrplan der Schule ersichtlich und er war es, der 1839 in den Experimenten von William Grove festgelegt wurde. Die Sache ist, dass der Prozess der Wasserelektrolyse (Wasserdissoziation) reversibel ist. So wie sich beim Durchfließen von elektrischem Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, so ist auch das Gegenteil der Fall: Wasserstoff und Sauerstoff lassen sich zu Wasser und Strom verbinden. In Groves Experiment wurden zwei Elektroden in einer Kammer platziert, in die begrenzte Portionen von reinem Wasserstoff und Sauerstoff unter Druck zugeführt wurden. Aufgrund der geringen Gasvolumina sowie aufgrund der chemischen Eigenschaften von Kohlenstoffelektroden fand in der Kammer eine langsame Reaktion unter Freisetzung von Wärme, Wasser und vor allem unter Bildung einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden statt .

Die einfachste Brennstoffzelle besteht aus einer speziellen Membran als Elektrolyt, auf deren beiden Seiten pulverförmige Elektroden aufgebracht sind. Wasserstoff strömt zur einen Seite (Anode) und Sauerstoff (Luft) zur anderen Seite (Kathode). An jeder Elektrode laufen unterschiedliche chemische Reaktionen ab. An der Anode zerfällt Wasserstoff in ein Gemisch aus Protonen und Elektronen. Bei einigen Brennstoffzellen sind die Elektroden von einem Katalysator umgeben, meist aus Platin oder anderen Edelmetallen, die die Dissoziationsreaktion erleichtern:

2H 2 → 4H + + 4e -

wobei H 2 ein zweiatomiges Wasserstoffmolekül ist (die Form, in der Wasserstoff in Form eines Gases vorliegt); H + – ionisierter Wasserstoff (Proton); e - - Elektron.

Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle vereinigen sich Protonen (die durch den Elektrolyten geleitet wurden) und Elektronen (die durch eine externe Last geleitet wurden) und reagieren mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff zu Wasser:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Gesamtreaktion In einer Brennstoffzelle wird es so geschrieben:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Der Betrieb einer Brennstoffzelle beruht darauf, dass der Elektrolyt Protonen durch sich selbst (zur Kathode) leitet, Elektronen jedoch nicht. Elektronen bewegen sich entlang eines äußeren Leiterkreises zur Kathode. Diese Elektronenbewegung ist ein elektrischer Strom, der verwendet werden kann, um ein externes Gerät anzutreiben, das an eine Brennstoffzelle angeschlossen ist (Last, zum Beispiel eine Glühbirne):

Brennstoffzellen verwenden bei ihrer Arbeit Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff. Am einfachsten geht es mit Sauerstoff - er wird aus der Luft gewonnen. Wasserstoff kann direkt aus einem Behälter geliefert oder von einer externen Brennstoffquelle (Erdgas, Benzin oder Methylalkohol - Methanol) getrennt werden. Im Falle einer externen Quelle muss es chemisch umgewandelt werden, um Wasserstoff zu extrahieren. Derzeit verwenden die meisten Brennstoffzellentechnologien, die für tragbare Geräte entwickelt wurden, Methanol.

Brennstoffzelleneigenschaften

Brennstoffzellen sind analog zu bestehenden Batterien in dem Sinne, dass in beiden Fällen elektrische Energie aus chemischer Energie gewonnen wird. Aber es gibt auch grundlegende Unterschiede:

• sie funktionieren nur so lange, wie der Brennstoff und das Oxidationsmittel von einer externen Quelle zugeführt werden (d. h. sie können keine elektrische Energie speichern),

  die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten ändert sich während des Betriebs nicht (die Brennstoffzelle muss nicht aufgeladen werden),

  sie sind völlig unabhängig von Strom (herkömmliche Batterien speichern Energie aus dem Stromnetz).

Jede Brennstoffzelle erzeugt Spannung in 1V... Eine höhere Spannung wird durch Reihenschaltung erreicht. Die Leistungssteigerung (Strom) wird durch die Parallelschaltung von Kaskaden von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen realisiert.

Brennstoffzellen keine harte Grenze für die Effizienz wie bei Wärmekraftmaschinen (der Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus ist der maximal mögliche Wirkungsgrad unter allen Wärmekraftmaschinen mit gleichen Mindest- und Höchsttemperaturen).

Hohe Effizienz wird durch die direkte Umwandlung von Brennstoffenergie in Strom erreicht. Wird Kraftstoff zunächst in einem Dieselaggregat verbrannt, treibt der entstehende Dampf oder das Gas eine Turbine oder die Welle eines Verbrennungsmotors an, die wiederum einen elektrischen Generator antreibt. Das Ergebnis ist ein Wirkungsgrad von maximal 42%, häufiger sind es etwa 35-38%. Darüber hinaus ist aufgrund der Vielzahl von Verknüpfungen sowie aufgrund thermodynamischer Begrenzungen des maximalen Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen eine Erhöhung des bestehenden Wirkungsgrades unwahrscheinlich. Bestehende Brennstoffzellen Die Effizienz beträgt 60-80%,

Effizienz fast hängt nicht vom Lastfaktor ab,

Die Kapazität ist um ein Vielfaches höher als bei bestehenden Batterien,

Vollständig keine umweltschädlichen Emissionen... Es werden nur sauberer Wasserdampf und thermische Energie freigesetzt (im Gegensatz zu Dieselgeneratoren, die umweltschädliche Abgase haben und entfernt werden müssen).

Brennstoffzellentypen

Brennstoffzellen klassifiziert aus folgenden Gründen:

nach Kraftstoffverbrauch,

durch Arbeitsdruck und Temperatur,

nach der Art der Bewerbung.

Generell wird unterschieden: Brennstoffzellentypen:

Festoxidbrennstoffzelle (SOFC);

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC);

Reversible Brennstoffzelle (RFC)

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC);

Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat (MCFC);

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC);

Alkalische Brennstoffzellen (AFC).

Eine der Arten von Brennstoffzellen, die bei normalen Temperaturen und Drücken unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden, sind Ionenaustauschermembranzellen. Das entstehende Wasser löst den Festelektrolyten nicht auf, fließt nach unten und wird leicht abgeführt.

Probleme mit Brennstoffzellen

Das Hauptproblem bei Brennstoffzellen ist der Bedarf an „verpacktem“ Wasserstoff, der frei käuflich erworben werden könnte. Natürlich sollte das Problem im Laufe der Zeit gelöst werden, aber bisher sorgt die Situation für ein leichtes Schmunzeln: Was kommt zuerst - das Huhn oder das Ei? Brennstoffzellen sind noch nicht weit genug, um Wasserstoffanlagen zu bauen, aber ihre Fortschritte sind ohne diese Anlagen undenkbar. Hier bemerken wir das Problem der Wasserstoffquelle. Derzeit wird Wasserstoff aus Erdgas gewonnen, aber die Verteuerung der Energieträger wird auch den Wasserstoffpreis erhöhen. In diesem Fall ist die Anwesenheit von CO und H 2 S (Schwefelwasserstoff) im Wasserstoff aus Erdgas unvermeidlich, die den Katalysator vergiften.

Herkömmliche Platinkatalysatoren verwenden ein sehr teures und natürlich unersetzliches Metall - Platin. Es ist jedoch geplant, dieses Problem durch den Einsatz von Katalysatoren auf Basis von Enzymen zu lösen, bei denen es sich um billige und einfach herzustellende Substanzen handelt.

Auch die erzeugte Wärme ist ein Problem. Der Wirkungsgrad steigt stark an, wenn die erzeugte Wärme in einen Nutzkanal geleitet wird - um Wärmeenergie für das Wärmeversorgungssystem zu erzeugen, diese als Abwärme in der Absorption nutzen Kältemaschinen usw.

Methanol-Brennstoffzellen (DMFC): Reale Anwendungen

Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) sind heute von höchstem praktischen Interesse. Ein Portege M100 Laptop, der von einer DMFC-Brennstoffzelle angetrieben wird, sieht so aus:

Ein typischer Kreislauf eines DMFC-Elements enthält neben Anode, Kathode und Membran mehrere zusätzliche Komponenten: eine Tankpatrone, einen Methanolsensor, eine Kraftstoffumwälzpumpe, eine Luftpumpe, einen Wärmetauscher usw.

Die Betriebszeit beispielsweise eines Laptops gegenüber Akkus soll um das Vierfache (bis zu 20 Stunden), eines Mobiltelefons erhöht werden - bis zu 100 Stunden im Aktivmodus und bis zu sechs Monate im Standby-Modus. Die Aufladung erfolgt durch Zugabe einer Portion flüssigen Methanols.

Die Hauptaufgabe besteht darin, nach Möglichkeiten zu suchen, die Methanollösung mit ihrer höchsten Konzentration einzusetzen. Das Problem ist, dass Methanol ein ziemlich starkes Gift ist, das in Dosen von mehreren zehn Gramm tödlich ist. Die Methanolkonzentration wirkt sich jedoch direkt auf die Arbeitsdauer aus. Wurde zuvor eine 3-10%ige Methanollösung verwendet, sind bereits Mobiltelefone und PDAs mit einer 50%igen Lösung erschienen, und im Jahr 2008 erhielten MTI MicroFuel Cells und wenig später Toshiba-Spezialisten unter Laborbedingungen Brennstoffzellen, die mit Brennstoffzellen betrieben wurden reines Methanol.

Brennstoffzellen sind die Zukunft!

Der Beweis für die große Zukunft von Brennstoffzellen schließlich ist die Tatsache, dass die internationale Organisation IEC (International Electrotechnical Commission), die Industriestandards für elektronische Geräte definiert, bereits die Bildung einer Arbeitsgruppe angekündigt hat, um einen internationalen Standard für Miniaturbrennstoffzellen.

Sie werden niemanden mit Sonnenkollektoren oder Windrädern überraschen, die in allen Regionen der Welt Strom erzeugen. Die Erzeugung dieser Geräte ist jedoch nicht konstant und Sie müssen Notstromquellen installieren oder sich an das Netz anschließen, um Strom zu erhalten, während EE-Anlagen keinen Strom erzeugen. Es gibt jedoch im 19. Jahrhundert entwickelte Anlagen, die mit „alternativen“ Brennstoffen Strom erzeugen, also weder Gas noch Ölprodukte verbrennen. Brennstoffzellen sind solche Anlagen.

GESCHICHTE DER SCHÖPFUNG

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

Referenz: Wasserelektrolyse 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 entwickelte 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 entwickelte er die Grove-Batterie. Diese Vorrichtung hatte eine in Salpetersäure eingetauchte Platinelektrode und eine in Zinksulfat eingelegte Zinkelektrode. Es erzeugte einen Strom von 12 Ampere und eine Spannung von 8 Volt. Grow selbst nannte diese Konstruktion "Nasser Akku"... Dann stellte er eine Batterie mit zwei Platinelektroden her. Ein Ende jeder Elektrode befand sich in Schwefelsäure, und die anderen Enden wurden in Behältern mit Wasserstoff und Sauerstoff versiegelt. 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.

"Batterie wachsen"

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

Der Begriff "Brennstoffzelle" erschien erst 1889 von L. Mond und
C. Langer, der versuchte, ein Gerät zur Stromerzeugung aus Luft und Kohlegas zu entwickeln.

WIE ES FUNKTIONIERT?

Die Brennstoffzelle ist ein relativ einfaches Gerät... Es hat zwei Elektroden: die Anode (negative Elektrode) und die Kathode (positive Elektrode). An den Elektroden findet eine chemische Reaktion statt. Zur Beschleunigung wird die Oberfläche der Elektroden mit einem Katalysator beschichtet. TE sind mit einem weiteren Element ausgestattet - eine Membran. Die Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffs direkt in Strom ist auf die Arbeit der Membran zurückzuführen. Es trennt die beiden Kammern der Zelle, die mit Brennstoff und Oxidationsmittel versorgt werden. Die Membran lässt an einer mit einem Katalysator bedeckten Elektrode nur Protonen, die durch die Brennstoffspaltung gewonnen werden, von einer Kammer zur anderen gelangen (Elektronen laufen in diesem Fall durch den äußeren Kreislauf). In der zweiten Kammer vereinigen sich Protonen mit Elektronen (und Sauerstoffatomen) zu Wasser.

So funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle

Auf chemischer Ebene ähnelt der Prozess der Umwandlung von Brennstoffenergie in elektrische Energie dem üblichen Verbrennungsprozess (Oxidationsprozess).

Bei der normalen Verbrennung in Sauerstoff wird organischer Brennstoff oxidiert und die chemische Energie des Brennstoffs in thermische Energie umgewandelt. Sehen wir uns an, was passiert, wenn Wasserstoff in einer Elektrolytumgebung und in Gegenwart von Elektroden durch Sauerstoff oxidiert wird.

Durch Zufuhr von Wasserstoff zu einer Elektrode in einem alkalischen Medium kommt es zu einer chemischen Reaktion:

2H 2 + 4OH – → 4H 2 O + 4e –

Wie Sie sehen, erhalten wir Elektronen, die durch den äußeren Kreislauf in die gegenüberliegende Elektrode 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 der konventionellen Verbrennung, aber in einer Brennstoffzelle wird elektrischer Strom und teilweise Wärme erzeugt.

ARTEN VON BRENNSTOFFZELLEN

Brennstoffzellen werden nach der Art des für die Reaktion verwendeten Elektrolyten klassifiziert:

Man beachte, 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 Grenze für die Effizienz wie Wärmekraftmaschinen.

Hilfe: EffizienzCarnot-Zyklus ist der höchstmögliche Wirkungsgrad unter allen Wärmekraftmaschinen bei gleichen Minimal- und Maximaltemperaturen.

Daher kann der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen theoretisch über 100 % liegen. Viele lächelten und dachten: "Perpetuum mobile Machine hat Mittel erfunden." Nein, hier lohnt es sich, in den Schulchemiekurs zurückzukehren. Eine Brennstoffzelle basiert auf der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Hier kommen Wunder ins Spiel. Bestimmte chemische Reaktionen im Verlauf des Kurses können Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Hinweis: Endotherme Reaktionen sind chemische Reaktionen mit Wärmeaufnahme. Bei endothermen Reaktionen haben die Enthalpieänderung und die innere Energie positive Werte (Δ h >0, Δ U > 0), enthalten die Reaktionsprodukte also mehr Energie als die Ausgangskomponenten.

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 erwärmen sich Brennstoffzellen im Betrieb und können keine Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

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

Außerdem gibt es Verluste, die mit Nichtgleichgewichtsprozessen verbunden sind. B.: Ohmsche Verluste aufgrund der spezifischen 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 Mobile-Maschinen und ihr Wirkungsgrad liegt unter 100 %. Aber ihre Effizienz ist höher als die anderer Maschinen. Heute Brennstoffzellen-Wirkungsgrad erreicht 80%.

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

BRENNSTOFFZELLEN-PROBLEME

Da fast alle Brennstoffzellen Wasserstoff als Brennstoff verwenden, stellt sich die logische Frage: "Wo bekomme ich ihn?"

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

Nach dem Faradayschen Gesetz: Die Menge eines Stoffes, die an der Anode oxidiert oder an der Kathode reduziert wird, ist proportional zur Strommenge, die durch den Elektrolyten geleitet wird. Das bedeutet, dass Sie mehr Strom ausgeben müssen, um mehr Wasserstoff zu erhalten. Die bestehenden Verfahren der Wasserelektrolyse haben einen Wirkungsgrad von weniger als Eins. Dann verwenden wir den gewonnenen Wasserstoff in Brennstoffzellen, wo der Wirkungsgrad ebenfalls kleiner als Eins ist. Daher werden wir mehr Energie verbrauchen, als wir erzeugen können.

Natürlich kann auch aus Erdgas gewonnener Wasserstoff verwendet werden. Diese Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist nach wie vor 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 g), daher muss es für den Transport über weite Strecken komprimiert werden. Und das sind zusätzliche Energie- und Geldkosten. Vergessen Sie auch nicht die Sicherheit.

Es gibt jedoch auch eine Lösung – als Wasserstoffquelle kann flüssiger Kohlenwasserstoff-Kraftstoff verwendet werden. Zum Beispiel Ethyl- oder Methylalkohol. Zwar ist hier bereits ein spezielles Zusatzgerät erforderlich - ein Kraftstoffkonverter, der Alkohole bei hoher Temperatur in ein Gemisch aus gasförmigem H 2 und CO 2 umwandelt (bei Methanol etwa 240 ° C). 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 wird etwas weniger Sperriges benötigt.

Katalysator

Um den Reaktionsfortschritt im FC zu erhöhen, ist die Oberfläche der Anode 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 erforschten Platinreserven in 15-20 Jahren aufgebraucht sein. Aber Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen, Platin durch andere Materialien zu ersetzen. Einige von ihnen haben übrigens gute Ergebnisse erzielt. So ersetzten chinesische Wissenschaftler Platin durch Calciumoxid (Quelle: www.cheburek.net).

VERWENDUNG VON BRENNSTOFFZELLEN

1959 wurde erstmals eine Brennstoffzelle in Kraftfahrzeugen getestet. Der Alice-Chambers-Traktor nutzte 1008 Batterien zum Betrieb. Der Brennstoff war ein Gasgemisch, hauptsächlich Propan und Sauerstoff.

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

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

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

Automobilhersteller wie Honda, Ford, Nissan und Mercedes-Benz haben bereits Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge entwickelt.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force powered by Wasserstoff

Beim Einsatz von Wasserstoffautos wird das Problem der Wasserstoffspeicherung gelöst. Durch den Bau von Tankstellen mit Wasserstoff wird es möglich, überall zu tanken. Außerdem ist das Betanken eines Autos mit Wasserstoff schneller als das Aufladen eines Elektroautos an einer Tankstelle. Aber bei der Umsetzung solcher Projekte standen wir vor einem Problem wie dem von Elektrofahrzeugen. Die Menschen sind bereit, auf ein wasserstoffbetriebenes Auto „umzusteigen“, wenn es dafür eine Infrastruktur gibt. Und der Bau von Tankstellen wird beginnen, wenn es genügend Verbraucher gibt. Daher kamen wir wieder zum Dilemma von Eiern und Hühnchen.

Brennstoffzellen sind in Mobiltelefonen und Laptops weit verbreitet. Die Zeit ist schon vorbei, als das Telefon einmal pro Woche aufgeladen wurde. Jetzt wird das Telefon fast täglich aufgeladen und der Laptop funktioniert 3-4 Stunden ohne Netzwerk. Daher entschieden sich Hersteller von Mobiltechnologie, eine Brennstoffzelle mit Telefonen und Laptops zum Laden und Arbeiten zu synthetisieren. Zum Beispiel das Unternehmen Toshiba im Jahr 2003. demonstrierten einen fertigen Prototyp einer Methanol-Brennstoffzelle. Es gibt eine Leistung von etwa 100mW. Eine Füllung mit 2 Würfeln konzentriertem (99,5%) Methanol reicht für 20 Stunden Betrieb des MP3-Players. Auch hier zeigte der gleiche "Toshiba" einen Akku für Notebooks mit den Maßen 275x75x40mm, der es dem Computer ermöglicht, 5 Stunden nach einer Auftankung zu arbeiten.

Aber einige Hersteller sind noch weiter gegangen. Die Firma PowerTrekk hat ein gleichnamiges Ladegerät auf den Markt gebracht. Der PowerTrekk ist das weltweit erste Wasserladegerät. Es ist sehr einfach zu bedienen. Dem PowerTrekk muss Wasser nachgefüllt werden, damit er über das USB-Kabel sofort mit Strom versorgt wird. Diese Brennstoffzelle enthält Siliziumpulver und Natriumsilicid (NaSi), gemischt mit Wasser, diese Kombination erzeugt Wasserstoff. In der Brennstoffzelle selbst vermischt sich Wasserstoff mit Luft und wandelt Wasserstoff durch seinen Membran-Protonen-Austausch ohne Lüfter oder Pumpen in Strom um. Sie können ein solches tragbares Ladegerät für 149 € kaufen (

Die mobile Elektronik wird jedes Jahr, wenn nicht sogar jeden Monat, zugänglicher und verbreiteter. Hier haben Sie Laptops, PDAs, Digitalkameras, Mobiltelefone und viele andere nützliche und weniger nützliche Geräte. Und all diese Geräte erhalten ständig neue Funktionen, leistungsstärkere Prozessoren, größere Farbbildschirme, drahtlose Konnektivität, während sie immer kleiner werden. Aber im Gegensatz zu Halbleitertechnologien sind die Leistungstechnologien dieser gesamten mobilen Menagerie keineswegs sprunghaft.

Herkömmliche wiederaufladbare Batterien und Batterien reichen eindeutig nicht aus, um die neuesten Fortschritte in der Elektronikindustrie für längere Zeit zu betreiben. Und ohne zuverlässige, leistungsstarke Akkus geht der Sinn von Mobilität und Wireless verloren. Die Computerindustrie arbeitet also immer aktiver an dem Problem alternative Netzteile... Und die vielversprechendste Richtung hier heute ist Brennstoffzellen.

Das Grundprinzip der Brennstoffzelle wurde 1839 von dem britischen Wissenschaftler Sir William Grove entdeckt. Er gilt als Vater der „Brennstoffzelle“. William Grove erzeugte Elektrizität durch Umwandlung, um Wasserstoff und Sauerstoff zu extrahieren. Als Grove die Batterie von der Elektrolysezelle trennte, stellte er überrascht fest, dass die Elektroden begannen, das entwickelte Gas zu absorbieren und Strom zu erzeugen. Prozess öffnen elektrochemische "kalte" Verbrennung von Wasserstoff zu einem bedeutenden Ereignis im Energiesektor, und später spielten so namhafte Elektrochemiker wie Ostwald und Nernst eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der theoretischen Grundlagen und praktischen Umsetzung der Brennstoffzelle und sagten ihnen eine große Zukunft voraus.

Mich selber der Begriff "Brennstoffzelle" erschien später - es wurde 1889 von Ludwig Mond und Charles Langer vorgeschlagen, die versuchten, ein Gerät zur Stromerzeugung aus Luft und Kohlegas zu entwickeln.

Bei der normalen Verbrennung in Sauerstoff wird organischer Brennstoff oxidiert und die chemische Energie des Brennstoffs wird ineffizient in thermische Energie umgewandelt. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Oxidationsreaktion beispielsweise von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Elektrolytumgebung durchgeführt werden kann und in Gegenwart von Elektroden einen elektrischen Strom erhält. Wenn wir beispielsweise einer Elektrode in einem alkalischen Medium Wasserstoff zuführen, erhalten wir Elektronen:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

die durch den äußeren Kreislauf in die Gegenelektrode eintreten, zu der Sauerstoff eintritt und wo die Reaktion stattfindet: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Es ist ersichtlich, dass die resultierende Reaktion 2H2 + O2 → H2O die gleiche ist wie bei der konventionellen Verbrennung, jedoch in einer Brennstoffzelle oder anderweitig, in elektrochemischer Generator, wird ein elektrischer Strom mit großer Effizienz und teilweise Wärme erhalten. Man beachte, 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.

Die Entwicklung von Brennstoffzellen wurde sowohl im Ausland als auch in Russland und dann in der UdSSR energisch fortgesetzt. Unter den Wissenschaftlern, die einen großen Beitrag zur Erforschung von Brennstoffzellen geleistet haben, sind V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh zu nennen. Mitte des letzten Jahrhunderts begann ein neuer Sturm der Brennstoffzellenprobleme. Dies ist zum Teil auf das Aufkommen neuer Ideen, Materialien und Technologien als Ergebnis der Verteidigungsforschung zurückzuführen.

Einer der Wissenschaftler, die einen großen Schritt in der Entwicklung von Brennstoffzellen gemacht haben, war P.M.Spiridonov. Spiridonovs Wasserstoff-Sauerstoff-Elemente ergab eine Stromdichte von 30 mA/cm2, was für die damalige Zeit als große Leistung galt. In den vierziger Jahren schuf O. Davtyan eine Anlage zur elektrochemischen Verbrennung von Generatorgas, das durch Kohlevergasung gewonnen wurde. Für jeden Kubikmeter des Elementvolumens erhielt Davtyan 5 kW Leistung.

Das war erste Festelektrolyt-Brennstoffzelle... Es hatte einen hohen Wirkungsgrad, aber im Laufe der Zeit verschlechterte sich der Elektrolyt und musste ausgetauscht werden. Anschließend schuf Davtyan Ende der fünfziger Jahre eine leistungsstarke Installation, die den Traktor in Bewegung setzt. In den gleichen Jahren entwarf und baute der englische Ingenieur T. Bacon eine Batterie aus Brennstoffzellen mit einer Gesamtkapazität von 6 kW und einem Wirkungsgrad von 80 %, die mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wird, aber das Leistungsgewicht der Batterie erwies sich als zu klein - solche Zellen waren für den praktischen Einsatz ungeeignet und zu teuer.

In den folgenden Jahren verging die Zeit der Einzelgänger. Die Schöpfer von Raumfahrzeugen interessierten sich für Brennstoffzellen. Seit Mitte der 60er Jahre wurden Millionen von Dollar in die Brennstoffzellenforschung investiert. Die Arbeit von Tausenden von Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichte es 1965, ein neues Niveau zu erreichen. Die Brennstoffzellen wurden in den USA auf der Raumsonde Gemini-5 und später auf der Raumsonde Apollo für Flüge zum Mond und im Rahmen des Shuttle-Programms getestet.

In der UdSSR wurden bei der NPO Kvant Brennstoffzellen auch für den Einsatz im Weltraum entwickelt. In diesen Jahren erschienen bereits neue Materialien - Festpolymerelektrolyte auf Basis von Ionenaustauschermembranen, neue Arten von Katalysatoren, Elektroden. Trotzdem war die Arbeitsstromdichte gering - innerhalb von 100-200 mA / cm2, und der Platingehalt an den Elektroden betrug mehrere g / cm2. Es gab viele Probleme in Bezug auf Haltbarkeit, Stabilität und Sicherheit.

Die nächste Stufe der rasanten Entwicklung von Brennstoffzellen begann in den 90er Jahren. letzten Jahrhundert und geht jetzt weiter. Sie entsteht durch den Bedarf an neuen effizienten Energieträgern einerseits im Zusammenhang mit dem globalen Umweltproblem der zunehmenden Emission von Treibhausgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und andererseits mit deren Erschöpfung Reserven. Da das Endprodukt der Wasserstoffverbrennung in einer Brennstoffzelle Wasser ist, gelten sie in Bezug auf die Umweltbelastung als die saubersten. Das Hauptproblem besteht nur darin, ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff zu finden.

Milliardeninvestitionen in die Entwicklung von Brennstoffzellen und Wasserstoffgeneratoren sollen zu einem technologischen Durchbruch führen und im Alltag Realität werden lassen: in Zellen für Handys, in Autos, in Kraftwerken. Automobilgiganten wie Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors demonstrieren bereits jetzt Autos und Busse mit 50-kW-Brennstoffzellen. Eine Reihe von Unternehmen haben sich entwickelt Demonstrationskraftwerke auf Brennstoffzellen mit Festoxidelektrolyt mit einer Leistung bis 500 kW... Aber trotz eines bedeutenden Durchbruchs bei der Verbesserung der Eigenschaften von Brennstoffzellen gibt es noch viele Probleme in Bezug auf ihre Kosten, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu lösen.

Im Gegensatz zu Batterien und Akkumulatoren werden ihr bei einer Brennstoffzelle sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel von außen zugeführt. Die Brennstoffzelle ist nur ein Vermittler der Reaktion und könnte unter idealen Bedingungen fast ewig funktionieren. Das Schöne an dieser Technologie ist, dass das Element tatsächlich Kraftstoff verbrennt und die freigesetzte Energie direkt in Strom umwandelt. Bei der direkten Verbrennung von Brennstoff wird dieser durch Sauerstoff oxidiert und die dabei freiwerdende Wärme zur Verrichtung von Nutzarbeit genutzt.

In einer Brennstoffzelle sind wie in Batterien die Reaktionen der Brennstoffoxidation und der Sauerstoffreduktion räumlich getrennt, und der "Verbrennungsvorgang" findet nur statt, wenn die Zelle Strom an die Last liefert. Es ist wie dieselelektrischer Generator, nur ohne Diesel und Generator... Und das auch ohne Rauch, Lärm, Überhitzung und mit einem viel höheren Wirkungsgrad. Letzteres erklärt sich dadurch, dass erstens keine mechanischen Zwischeneinrichtungen vorhanden sind und zweitens die Brennstoffzelle keine Wärmekraftmaschine ist und daher dem Carnotschen Gesetz nicht gehorcht (d.h. ihr Wirkungsgrad wird nicht durch der Temperaturunterschied).

Sauerstoff wird als Oxidationsmittel in Brennstoffzellen verwendet. Da außerdem genügend Sauerstoff in der Luft vorhanden ist, müssen Sie sich keine Sorgen um die Zufuhr des Oxidationsmittels machen. Kraftstoff ist Wasserstoff. In der Brennstoffzelle findet also eine Reaktion statt:

2H2 + O2 → 2H2O + Strom + Wärme.

Das Ergebnis ist nutzbare Energie und Wasserdampf. Der einfachste Aufbau ist Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran(siehe Abbildung 1). Es funktioniert wie folgt: Der in das Element eintretende Wasserstoff zerfällt unter der Wirkung des Katalysators in Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen H +. Dann kommt eine spezielle Membran ins Spiel, die in einer herkömmlichen Batterie die Rolle eines Elektrolyten spielt. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung lässt es Protonen durch sich selbst hindurch, behält aber Elektronen zurück. Somit erzeugen an der Anode akkumulierte Elektronen eine überschüssige negative Ladung, und Wasserstoffionen erzeugen eine positive Ladung an der Kathode (die Spannung an der Zelle beträgt etwa 1 V).

Um eine hohe Leistung zu erzeugen, wird eine Brennstoffzelle aus mehreren Zellen zusammengesetzt. Wenn das Element in der Ladung enthalten ist, fließen Elektronen durch es zur Kathode, wodurch ein Strom entsteht und der Prozess der Wasserstoffoxidation mit Sauerstoff abgeschlossen wird. Als Katalysator in solchen Brennstoffzellen werden in der Regel auf Kohlefaser geträgerte Platinmikropartikel verwendet. Aufgrund seiner Struktur ist ein solcher Katalysator hochgradig gas- und stromdurchlässig. Die Membran besteht normalerweise aus dem schwefelhaltigen Polymer Nafion. Die Membrandicke beträgt Zehntel Millimeter. Während der Reaktion wird natürlich auch Wärme freigesetzt, aber davon gibt es nicht so viel, daher wird die Betriebstemperatur im Bereich von 40-80 ° C gehalten.

Abb. 1. So funktioniert die Brennstoffzelle

Es gibt andere Arten von Brennstoffzellen, die sich hauptsächlich in der Art des verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Fast alle benötigen Wasserstoff als Treibstoff, daher stellt sich die logische Frage: Wo bekommt man ihn? Natürlich wäre es möglich, komprimierten Wasserstoff aus Flaschen zu verwenden, aber dann ergeben sich sofort Probleme beim Transport und der Lagerung dieses hochentzündlichen Gases unter hohem Druck. Wasserstoff kann natürlich auch in gebundener Form wie in Metallhydridbatterien verwendet werden. Dennoch bleibt das Problem seiner Herstellung und seines Transports bestehen, da die Infrastruktur für die Wasserstoffbetankung nicht existiert.

Es gibt jedoch auch eine Lösung – als Wasserstoffquelle kann flüssiger Kohlenwasserstoff-Kraftstoff verwendet werden. Zum Beispiel Ethyl- oder Methylalkohol. Zwar ist hier bereits ein spezielles Zusatzgerät erforderlich - ein Kraftstoffkonverter, der Alkohole bei hoher Temperatur in ein Gemisch aus gasförmigem H2 und CO2 umwandelt (bei Methanol etwa 240 ° C). Aber in diesem Fall ist es schon schwieriger, an Portabilität zu denken - solche Geräte eignen sich gut als stationäre oder mobile Geräte, aber für kompakte mobile Geräte benötigen Sie etwas weniger Umständliches.

Und hier kommen wir genau zu dem Gerät, dessen Entwicklung von fast allen großen Elektronikherstellern mit furchtbarer Kraft betrieben wird - Methanol-Brennstoffzelle(Figur 2).

Abb. 2. So funktioniert eine Methanol-Brennstoffzelle

Der grundlegende Unterschied zwischen Wasserstoff- und Methanol-Brennstoffzellen liegt im verwendeten Katalysator. Ein Katalysator in einer Methanol-Brennstoffzelle ermöglicht die direkte Entfernung von Protonen aus dem Alkoholmolekül. Damit ist das Thema Kraftstoff gelöst - Methylalkohol wird massiv für die chemische Industrie produziert, lässt sich gut lagern und transportieren, und zum Aufladen einer Methanol-Brennstoffzelle genügt ein einfacher Austausch der Tankpatrone. Es gibt jedoch einen wesentlichen Nachteil: Methanol ist giftig. Zudem ist der Wirkungsgrad einer Methanol-Brennstoffzelle deutlich geringer als der einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Reis. 3. Methanol-Brennstoffzelle

Die verlockendste Option ist die Verwendung von Ethylalkohol als Brennstoff, da die Herstellung und der Vertrieb von alkoholischen Getränken jeder Zusammensetzung und Stärke auf der ganzen Welt etabliert sind. Allerdings ist der Wirkungsgrad von Ethanol-Brennstoffzellen leider noch geringer als der von Methanol-Brennstoffzellen.

Wie in den vielen Jahren der Entwicklung auf dem Brennstoffzellengebiet festgestellt wurde, wurden verschiedene Arten von Brennstoffzellen gebaut. Brennstoffzellen werden nach Elektrolyt und Brennstoffart klassifiziert.

1. Fester Polymer-Wasserstoff-Sauerstoff-Elektrolyt.

2. Festpolymer-Methanol-Brennstoffzellen.

3. Zellen auf alkalischem Elektrolyt.

4. Phosphorsäure-Brennstoffzellen.

5. Brennstoffzellen auf Basis von geschmolzenen Karbonaten.

6. Festoxid-Brennstoffzellen.

Im Idealfall ist der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen sehr hoch, aber unter realen Bedingungen treten Verluste im Zusammenhang mit Nichtgleichgewichtsprozessen auf, wie zum Beispiel: Ohmsche Verluste aufgrund der spezifischen Leitfähigkeit des Elektrolyten und der Elektroden, Aktivierungs- und Konzentrationspolarisation, Diffusionsverluste. Dadurch wird ein Teil der in Brennstoffzellen erzeugten Energie in Wärme umgewandelt. Die Bemühungen von Spezialisten zielen darauf ab, diese Verluste zu reduzieren.

Die Hauptquelle der ohmschen Verluste sowie der Grund für die hohen Kosten von Brennstoffzellen sind perfluorierte Sulfonsäure-Kationenaustauschermembranen. Nun wird nach alternativen, günstigeren protonenleitenden Polymeren gesucht. Da die Leitfähigkeit dieser Membranen (Festelektrolyte) nur in Gegenwart von Wasser einen akzeptablen Wert (10 Ohm/cm) erreicht, müssen die der Brennstoffzelle zugeführten Gase in einer speziellen Vorrichtung zusätzlich befeuchtet werden, was die Kosten der Brennstoffzelle zusätzlich erhöht System. In katalytischen Gasdiffusionselektroden werden hauptsächlich Platin und einige andere Edelmetalle verwendet, für die bisher kein Ersatz gefunden wurde. Obwohl der Platingehalt in Brennstoffzellen mehrere mg / cm2 beträgt, erreicht er bei großen Batterien mehrere zehn Gramm.

Bei der Konstruktion von Brennstoffzellen wird dem Wärmeabfuhrsystem viel Aufmerksamkeit geschenkt, da bei hohen Stromdichten (bis zu 1A / cm2) eine Eigenerwärmung des Systems auftritt. Zur Kühlung wird Wasser verwendet, das in der Brennstoffzelle durch spezielle Kanäle zirkuliert, und bei geringer Leistung wird Luft eingeblasen.

So ist das moderne System eines elektrochemischen Generators neben der Brennstoffzelle selbst mit vielen Hilfsgeräten "überwuchert", wie z Gasleckkontrollsystem, ein DC-zu-AC-Wandler, ein Steuerungsprozessor usw. All dies führt dazu, dass die Kosten des Brennstoffzellensystems in den Jahren 2004-2005 2-3 Tausend USD / kW betrugen. Laut Experten werden Brennstoffzellen für den Einsatz in Verkehrs- und stationären Kraftwerken zu einem Preis von 50-100 US-Dollar / kW erhältlich sein.

Für die Einführung von Brennstoffzellen in den Alltag und die Reduzierung der Komponentenkosten sind neue originelle Ideen und Ansätze zu erwarten. Große Hoffnungen werden insbesondere auf den Einsatz von Nanomaterialien und der Nanotechnologie gesetzt. So haben beispielsweise vor kurzem mehrere Unternehmen die Entwicklung hocheffizienter Katalysatoren insbesondere für eine Sauerstoffelektrode auf der Basis von Clustern von Nanopartikeln verschiedener Metalle angekündigt. Außerdem gab es Berichte über membranlose Brennstoffzellenkonstruktionen, bei denen flüssiger Brennstoff (wie Methanol) zusammen mit einem Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle eingespeist wird. Interessant ist auch das entwickelte Konzept von Biobrennstoffzellen, die in verschmutzten Gewässern arbeiten und gelösten Luftsauerstoff als Oxidationsmittel und organische Verunreinigungen als Brennstoff verbrauchen.

Brennstoffzellen werden Experten zufolge in den kommenden Jahren in den Massenmarkt eintreten. Tatsächlich meistern Entwickler nacheinander technische Probleme, berichten von Erfolgen und präsentieren Prototypen von Brennstoffzellen. Toshiba hat beispielsweise einen fertigen Prototyp einer Methanol-Brennstoffzelle demonstriert. Es hat eine Größe von 22x56x4,5mm und eine Leistung von ca. 100mW. Eine Füllung mit 2 Würfeln konzentriertem (99,5%) Methanol reicht für 20 Stunden Betrieb des MP3-Players. Toshiba hat eine kommerzielle Brennstoffzelle zur Stromversorgung von Mobiltelefonen auf den Markt gebracht. Auch hier zeigte das gleiche Toshiba einen Akku für Notebooks mit den Maßen 275 x 75 x 40 mm, der es dem Computer ermöglicht, 5 Stunden nach einer Auftankung zu arbeiten.

Ein weiteres japanisches Unternehmen, Fujitsu, bleibt Toshiba nicht hinterher. 2004 stellte sie auch ein Element vor, das auf eine 30%ige wässrige Methanollösung einwirkt. Diese Brennstoffzelle lief mit einer 300ml Füllung 10 Stunden und lieferte gleichzeitig 15 Watt Leistung.

Casio entwickelt eine Brennstoffzelle, bei der Methanol zunächst in einem Miniatur-Brennstoffkonverter in ein Gemisch aus H2- und CO2-Gasen umgewandelt und dann in die Brennstoffzelle eingespeist wird. Während der Demonstration hat der Casio-Prototyp den Laptop 20 Stunden lang mit Strom versorgt.

Auch im Bereich der Brennstoffzellen hat sich Samsung einen Namen gemacht – 2004 stellte es seinen 12-W-Prototyp vor, der einen Laptop mit Strom versorgen soll. Generell will Samsung Brennstoffzellen zunächst in Smartphones der vierten Generation einsetzen.

Ich muss sagen, dass japanische Unternehmen im Allgemeinen sehr gründlich an der Entwicklung von Brennstoffzellen gearbeitet haben. Bereits 2003 haben sich Unternehmen wie Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony und Toshiba zusammengeschlossen, um einen einzigen Brennstoffzellenstandard für Laptops, Mobiltelefone, PDAs und andere elektronische Geräte zu entwickeln. Amerikanische Firmen, die auch in diesem Markt zahlreich vertreten sind, arbeiten meist im Auftrag des Militärs und entwickeln Brennstoffzellen zur Elektrifizierung amerikanischer Soldaten.

Die Deutschen sind nicht weit dahinter – Smart Fuel Cell verkauft Brennstoffzellen, um ein mobiles Büro anzutreiben. Das Gerät heißt Smart Fuel Cell C25, hat Abmessungen von 150x112x65mm und kann bei einer einzigen Betankung bis zu 140 Wattstunden liefern. Dies reicht aus, um den Laptop etwa 7 Stunden lang mit Strom zu versorgen. Danach kann die Kartusche ausgetauscht werden und Sie können weiterarbeiten. Die Methanolkartusche hat eine Größe von 99 x 63 x 27 mm und wiegt 150 g. Das System selbst wiegt 1,1 kg, so dass man es nicht als vollständig portabel bezeichnen kann, aber dennoch ist es ein komplett fertiges und praktisches Gerät. Darüber hinaus entwickelt das Unternehmen ein Brennstoffmodul zur Stromversorgung professioneller Videokameras.

Generell haben Brennstoffzellen bereits Einzug in den Markt der mobilen Elektronik gehalten. Es bleibt den Herstellern überlassen, die letzten technischen Probleme zu lösen, bevor die Massenproduktion beginnt.

Zunächst muss das Problem der Miniaturisierung von Brennstoffzellen gelöst werden. Denn je kleiner die Brennstoffzelle ist, desto weniger Leistung kann sie liefern – daher werden ständig neue Katalysatoren und Elektroden entwickelt, um die Arbeitsfläche bei kleinen Abmessungen zu maximieren. Hier kommen die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie und Nanomaterialien (zB Nanotubes) zum Tragen. Auch hier werden die Errungenschaften der Mikroelektromechanik zunehmend genutzt, um die Verrohrung von Elementen (Kraftstoff- und Wasserpumpen, Kühlsysteme und Kraftstoffumwandlung) zu miniaturisieren.

Das zweite wichtige Thema, das angegangen werden muss, sind die Kosten. Tatsächlich wird in den meisten Brennstoffzellen sehr teures Platin als Katalysator verwendet. Auch hier versuchen einige Hersteller, bereits etablierte Siliziumtechnologien optimal zu nutzen.

Wie auch in anderen Einsatzgebieten von Brennstoffzellen haben sich Brennstoffzellen dort bereits fest etabliert, haben sich aber weder im Energiesektor noch im Verkehr durchgesetzt. Zahlreiche Automobilhersteller haben bereits ihre Concept Cars mit Brennstoffzellenantrieb vorgestellt. In mehreren Städten weltweit fahren Brennstoffzellenbusse. Canadian Ballard Power Systems stellt eine Reihe stationärer Generatoren von 1 bis 250 kW her. Gleichzeitig sollen Kilowatt-Generatoren eine Wohnung sofort mit Strom, Wärme und Warmwasser versorgen.