Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle? Brennstoffzellen: ein Jahr der Hoffnung

Die Vereinigten Staaten haben mehrere Initiativen ergriffen, um Wasserstoff-Brennstoffzellen, Infrastruktur und Technologien zu entwickeln, um Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2020 praktisch und wirtschaftlich zu machen. Dafür wurden mehr als eine Milliarde Dollar bereitgestellt.

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

In diesem Artikel werden wir jede der heute existierenden Brennstoffzellentechnologien kurz vorstellen, über den Aufbau und den Betrieb von Brennstoffzellen sprechen und sie mit anderen Formen der Energieerzeugung vergleichen. Wir werden auch einige der Hindernisse diskutieren, mit denen Forscher konfrontiert sind, um Brennstoffzellen praktisch und für Verbraucher erschwinglich zu machen.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energieumwandlungsgeräte... Eine Brennstoffzelle wandelt Chemikalien, Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser um und erzeugt dabei Strom.

Ein weiteres elektrochemisches Gerät, mit dem wir alle vertraut sind, ist die Batterie. Die Batterie enthält alle notwendigen chemischen Elemente und wandelt diese Stoffe in Strom um. Das bedeutet, dass der Akku irgendwann "stirbt" und Sie ihn entweder wegwerfen oder wieder aufladen.

In eine Brennstoffzelle fließen ständig Chemikalien ein, damit sie nie „stirbt“. Solange Chemikalien in das Element fließen, wird Strom erzeugt. Die meisten heute verwendeten Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff und Sauerstoff.

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in unserer Galaxie. Wasserstoff existiert jedoch praktisch nicht in seiner elementaren Form auf der Erde. Ingenieure und Wissenschaftler müssen aus Wasserstoffverbindungen, einschließlich fossiler Brennstoffe oder Wasser, reinen Wasserstoff gewinnen. Um Wasserstoff aus diesen Verbindungen zu gewinnen, müssen Sie Energie in Form von Wärme oder Strom aufwenden.

Die Erfindung der Brennstoffzelle

1839 erfand Sir William Grove die erste Brennstoffzelle. Grove wusste, dass man Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen kann, indem man einen elektrischen Strom durch das Wasser leitet (ein Prozess namens Elektrolyse). Er schlug vor, in umgekehrter Reihenfolge Strom und Wasser zu beziehen. Er schuf eine primitive Brennstoffzelle und nannte sie Gasgalvanische Batterie... Durch das Experimentieren mit seiner neuen Erfindung bewies Grove seine Hypothese. Fünfzig Jahre später prägten die Wissenschaftler Ludwig Mond und Charles Langer den Begriff Brennstoffzellen beim Versuch, ein praktisches Modell für die Stromerzeugung zu bauen.

Die Brennstoffzelle wird mit vielen anderen Energieumwandlungsgeräten konkurrieren, darunter Gasturbinen in städtischen Kraftwerken, Verbrennungsmotoren in Autos und alle Arten von Batterien. Verbrennungsmotoren verbrennen wie Gasturbinen eine Vielzahl von Brennstoffen und nutzen den Druck, der durch die Expansion der Gase entsteht, um mechanische Arbeit zu verrichten. Batterien wandeln bei Bedarf chemische Energie in elektrische Energie um. Brennstoffzellen müssen diese Aufgaben effizienter erfüllen.

Die Brennstoffzelle liefert Gleichspannung (Gleichstrom), die zum Antrieb von Elektromotoren, Beleuchtung und anderen elektrischen Geräten verwendet werden kann.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die jeweils einen anderen chemischen Prozess verwenden. Brennstoffzellen werden in der Regel nach ihrer Betriebstemperatur und TypElektrolyt, die sie verwenden. Einige Brennstoffzellentypen eignen sich gut für den Einsatz in stationären Kraftwerken. Andere können für kleine Handheld-Geräte oder zum Antreiben von Autos nützlich sein. Zu den wichtigsten Brennstoffzellentypen gehören:

Polymeraustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

PEMFC gilt als der wahrscheinlichste Kandidat für Transportanwendungen. Die PEMFC hat sowohl eine hohe Leistung als auch eine relativ niedrige Betriebstemperatur (im Bereich von 60 bis 80 Grad Celsius). Durch eine niedrige Betriebstemperatur können sich die Brennstoffzellen schnell aufheizen, um Strom zu erzeugen.

Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)

Diese Brennstoffzellen eignen sich am besten für große stationäre Stromgeneratoren, die eine Fabrik oder eine Stadt mit Strom versorgen könnten. Dieser Brennstoffzellentyp arbeitet bei sehr hohen Temperaturen (700 bis 1000 Grad Celsius). Die hohe Temperatur stellt ein Zuverlässigkeitsproblem dar, da einige der Brennstoffzellen nach mehreren Ein- und Ausschaltzyklen ausfallen können. Festoxidbrennstoffzellen sind jedoch im Dauerbetrieb sehr stabil. Tatsächlich haben SOFCs unter bestimmten Bedingungen die längste Lebensdauer aller Brennstoffzellen gezeigt. Die hohe Temperatur hat auch einen Vorteil: Der von den Brennstoffzellen erzeugte Dampf kann zu den Turbinen geleitet werden und erzeugt mehr Strom. Dieser Vorgang heißt Kraft-Wärme-Kopplung und verbessert die Gesamteffizienz des Systems.

Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Es ist eines der ältesten Brennstoffzellendesigns, das seit den 1960er Jahren im Einsatz ist. AFCs sind sehr anfällig für Verunreinigungen, da sie reinen Wasserstoff und Sauerstoff benötigen. Darüber hinaus sind sie sehr teuer, so dass diese Art von Brennstoffzelle wahrscheinlich nicht in Serie gehen wird.

Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat (MCFC)

Wie SOFCs eignen sich auch diese Brennstoffzellen bestens für große stationäre Kraftwerke und Generatoren. Sie arbeiten bei 600 Grad Celsius, können also Dampf erzeugen, mit dem wiederum noch mehr Strom erzeugt werden kann. Sie haben eine niedrigere Betriebstemperatur als Festoxid-Brennstoffzellen und benötigen daher keine derart hitzebeständigen Materialien. Dadurch sind sie etwas günstiger.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Phosphorsäure-Brennstoffzelle hat das Potenzial, in kleinen stationären Energiesystemen eingesetzt zu werden. Sie arbeitet bei einer höheren Temperatur als eine Polymeraustauschmembran-Brennstoffzelle, sodass sie länger zum Aufwärmen benötigt, was sie für den Einsatz in Automobilen ungeeignet macht.

Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Methanol-Brennstoffzellen sind hinsichtlich der Betriebstemperatur mit PEMFCs vergleichbar, jedoch nicht so effizient. Außerdem benötigen DMFCs als Katalysator recht viel Platin, was diese Brennstoffzellen teuer macht.

Brennstoffzelle mit Polymeraustauschmembran

Die Polymer Membrane Exchange Fuel Cell (PEMFC) ist eine der vielversprechendsten Brennstoffzellentechnologien. PEMFC nutzt eine der einfachsten Reaktionen aller Brennstoffzellen. Überlegen Sie, woraus es besteht.

1. EIN Knoten - Minuspol der Brennstoffzelle. Es leitet Elektronen, die von Wasserstoffmolekülen freigesetzt werden, und können anschließend im externen Kreislauf verwendet werden. Es verfügt über eingravierte Kanäle, durch die Wasserstoffgas gleichmäßig über die Katalysatoroberfläche verteilt wird.

2.ZU Atode - der Pluspol der Brennstoffzelle hat auch Kanäle zur Sauerstoffverteilung über die Katalysatoroberfläche. Es leitet auch Elektronen von der äußeren Katalysatorkette zurück, wo sie sich mit Wasserstoff- und Sauerstoffionen zu Wasser verbinden können.

3.Elektrolyt-Protonen-Austauschmembran... Es ist ein speziell verarbeitetes Material, das nur positiv geladene Ionen leitet und Elektronen blockiert. Bei PEMFCs muss die Membran feucht sein, um richtig zu funktionieren und stabil zu bleiben.

4. Katalysator Ist ein spezielles Material, das die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff fördert. Es besteht normalerweise aus Platin-Nanopartikeln, die sehr dünn auf Kohlepapier oder -gewebe aufgetragen werden. Der Katalysator hat eine solche Oberflächenstruktur, dass die maximale Oberfläche des Platins Wasserstoff oder Sauerstoff ausgesetzt werden kann.

Die Abbildung zeigt Wasserstoffgas (H2), das von der Anodenseite in die Brennstoffzelle eingepresst wird. Wenn ein H2-Molekül am Katalysator mit Platin in Kontakt kommt, spaltet es sich in zwei H + -Ionen und zwei Elektronen auf. Die Elektronen passieren die Anode, wo sie in einem externen Kreislauf verwendet werden (um nützliche Arbeit zu leisten, z. B. beim Drehen eines Motors) und zurück zur Kathodenseite der Brennstoffzelle.

Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle strömt Sauerstoff (O2) aus der Luft durch den Katalysator, wo er zwei Sauerstoffatome bildet. Jedes dieser Atome hat eine starke negative Ladung. Diese negative Ladung zieht zwei H + -Ionen durch die Membran, wo sie sich mit einem Sauerstoffatom und zwei Elektronen aus einem externen Kreislauf verbinden, um ein Wassermolekül (H2O) zu bilden.

Diese Reaktion in einer einzelnen Brennstoffzelle erzeugt nur etwa 0,7 Volt. Um die Spannung auf ein vernünftiges Niveau anzuheben, müssen viele einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden. Bipolarplatten werden verwendet, um eine Brennstoffzelle mit einer anderen zu verbinden und einer Depotentialoxidation zu unterziehen. Ein großes Problem bei Bipolarplatten ist ihre Stabilität. Metallische Bipolarplatten können korrodieren und Nebenprodukte (Eisen- und Chromionen) verringern die Effizienz der Brennstoffzellenmembranen und -elektroden. Niedertemperaturbrennstoffzellen verwenden daher Leichtmetalle, Graphit und Verbundverbindungen aus Kohlenstoff und Duroplast (wärmehärtendes Material ist eine Art Kunststoff, der auch bei hohen Temperaturen fest bleibt) in Form eines bipolaren Plattenmaterials.

Brennstoffzellen-Wirkungsgrad

Die Reduzierung der Umweltverschmutzung ist eines der Hauptziele einer Brennstoffzelle. Wenn Sie ein Auto mit Brennstoffzelle mit einem Auto mit Benzinmotor und einem Auto mit Batterie vergleichen, sehen Sie, wie Brennstoffzellen die Effizienz von Autos verbessern können.

Da alle drei Autotypen viele gleiche Komponenten haben, werden wir diesen Teil des Autos ignorieren und die Wirkungsgrade bis zu dem Punkt vergleichen, an dem mechanische Energie erzeugt wird. Beginnen wir mit einem Brennstoffzellenfahrzeug.

Wird eine Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff betrieben, kann ihr Wirkungsgrad bis zu 80 Prozent betragen. Damit wandelt es 80 Prozent des Energieinhalts von Wasserstoff in Strom um. Allerdings müssen wir noch Strom in mechanische Arbeit umwandeln. Dies wird durch einen Elektromotor und einen Wechselrichter erreicht. Der Wirkungsgrad von Motor + Umrichter beträgt ebenfalls ca. 80 Prozent. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 80 * 80/100 = 64 Prozent. Hondas Konzeptfahrzeug FCX hat angeblich eine Energieeffizienz von 60 Prozent.

Handelt es sich bei der Kraftstoffquelle nicht um reinen Wasserstoff, benötigt das Fahrzeug zusätzlich einen Reformer. Reformer wandeln Kohlenwasserstoff- oder Alkoholbrennstoffe in Wasserstoff um. Sie erzeugen Wärme und produzieren neben Wasserstoff CO und CO2. Sie verwenden verschiedene Vorrichtungen, um den produzierten Wasserstoff zu reinigen, aber diese Reinigung ist unzureichend und verringert den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Daher entschieden sich die Forscher, sich trotz der Probleme, die mit der Herstellung und Speicherung von Wasserstoff verbunden sind, auf Brennstoffzellen für Fahrzeuge zu konzentrieren, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden.

Effizienz eines Benzinmotors und eines Autos mit Elektrobatterien

Die Effizienz eines benzinbetriebenen Autos ist überraschend gering. Die gesamte Wärme, die im Auspuff austritt oder vom Kühler aufgenommen wird, ist verschwendete Energie. Der Motor verbraucht auch viel Energie, um die verschiedenen Pumpen, Lüfter und Generatoren anzutreiben, die ihn am Laufen halten. Somit beträgt der Gesamtwirkungsgrad eines Automobil-Benzinmotors etwa 20 Prozent. Somit werden nur etwa 20 Prozent des thermischen Energieinhalts von Benzin in mechanische Arbeit umgewandelt.

Ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug hat einen relativ hohen Wirkungsgrad. Die Batterie hat einen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent (die meisten Batterien erzeugen etwas Wärme oder müssen erwärmt werden) und ein Elektromotor + Wechselrichter mit einem Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 72 Prozent.

Aber das ist nicht alles. Damit sich ein Elektroauto bewegen kann, muss zunächst irgendwo Strom erzeugt werden. Wenn es sich um ein Kraftwerk handelte, das fossile Brennstoffe verbrannte (anstelle von Atom-, Wasser-, Sonnen- oder Windkraft), dann wurden nur etwa 40 Prozent des vom Kraftwerk verbrauchten Brennstoffs in Strom umgewandelt. Außerdem erfordert der Ladevorgang des Autos die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Dieses Verfahren hat einen Wirkungsgrad von ca. 90 Prozent.

Betrachtet man nun den gesamten Zyklus, so beträgt der Wirkungsgrad eines Elektrofahrzeugs 72 Prozent für das Auto selbst, 40 Prozent für ein Kraftwerk und 90 Prozent für das Aufladen des Autos. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von 26 Prozent. Der Gesamtwirkungsgrad variiert stark, je nachdem mit welchem ​​Kraftwerk die Batterie geladen wird. Wird der Strom für das Auto beispielsweise von einem Wasserkraftwerk erzeugt, liegt der Wirkungsgrad des Elektroautos bei rund 65 Prozent.

Wissenschaftler forschen und verbessern Designs, um die Effizienz der Brennstoffzelle weiter zu verbessern. Ein neuer Ansatz ist die Integration von Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeugen. Ein Konzeptfahrzeug, das von einem brennstoffzellenbetriebenen Hybridantriebsstrang angetrieben wird, wird entwickelt. Es verwendet eine Lithiumbatterie, um das Fahrzeug mit Strom zu versorgen, während die Brennstoffzelle die Batterie auflädt.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind potenziell so effizient wie ein batteriebetriebenes Auto, das von einem Kraftwerk geladen wird, das keine fossilen Brennstoffe verwendet. Dieses Potenzial auf praktische und bezahlbare Weise zu erreichen, kann jedoch schwierig sein.

Warum Brennstoffzellen verwenden?

Der Hauptgrund ist alles, was mit Öl zu tun hat. Amerika muss fast 60 Prozent seines Öls importieren. Bis 2025 sollen die Importe auf 68 % steigen. Die Amerikaner verbrauchen täglich zwei Drittel ihres Öls für den Transport. Selbst wenn jedes Auto auf der Straße ein Hybridauto wäre, müssten die USA bis 2025 immer noch so viel Öl verbrauchen, wie die Amerikaner im Jahr 2000 verbrauchten. Tatsächlich verbraucht Amerika ein Viertel des Weltöls, obwohl hier nur 4,6% der Weltbevölkerung leben.

Experten gehen davon aus, dass die Ölpreise in den nächsten Jahrzehnten weiter steigen werden, da billigere Quellen erschöpft sind. Ölkonzerne müssen in einem immer schwieriger werdenden Umfeld Ölfelder erschließen, was die Ölpreise in die Höhe treiben wird.

Ängste gehen weit über wirtschaftliche Sicherheit hinaus. Viele Gelder aus dem Ölverkauf werden für die Aufrechterhaltung des internationalen Terrorismus, radikaler politischer Parteien und einer instabilen Lage in den Ölfördergebieten ausgegeben.

Die Nutzung von Öl und anderen fossilen Brennstoffen zur Energiegewinnung führt zu Umweltverschmutzung. Es ist für jeden am besten geeignet, eine Alternative zu finden – die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung.

Brennstoffzellen sind eine attraktive Alternative zur Ölabhängigkeit. Anstelle von Umweltverschmutzung produzieren Brennstoffzellen sauberes Wasser als Nebenprodukt. Während sich Ingenieure vorübergehend auf die Herstellung von Wasserstoff aus verschiedenen fossilen Quellen wie Benzin oder Erdgas konzentriert haben, werden in Zukunft erneuerbare, umweltfreundliche Wege zur Wasserstofferzeugung erforscht. Am vielversprechendsten wird natürlich die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser sein.

Ölabhängigkeit und globale Erwärmung sind ein internationales Problem. Mehrere Länder beteiligen sich gemeinsam an der Entwicklung von Forschung und Entwicklung für die Brennstoffzellentechnologie.

Wissenschaftler und Hersteller müssen natürlich hart arbeiten, bevor Brennstoffzellen eine Alternative zu modernen Methoden der Energieerzeugung werden. Doch mit weltweiter Unterstützung und globaler Zusammenarbeit könnte ein zukunftsfähiges Brennstoffzellen-Energiesystem in nur wenigen Jahrzehnten Realität werden.

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, die jeweils ein Elektron abgeben, in positiv geladene Ionen übergehen. 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 normalen Betrieb 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 .

Sehen Sie, was "FUEL ELEMENT" in anderen Wörterbüchern ist:

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

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 Akkumulatoren 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. Grove trennte die Batterie von der Elektrolysezelle und stellte 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 anders, 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 die 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 Batterie erwies sich als zu klein - solche Zellen waren für die Praxis 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, einen effizienten und kostengünstigen Weg 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 schon jetzt Autos und Busse mit Brennstoffzellen mit einer Leistung von 50 kW. 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 bei der Reaktion und könnte unter idealen Bedingungen fast ewig funktionieren. Das Schöne an dieser Technologie ist, dass das Element tatsächlich Brennstoff 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 den Verbraucher mit Strom versorgt. 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, erzeugen einen Strom und schließen den Prozess der Wasserstoffoxidation mit Sauerstoff ab. 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. Da fast alle Wasserstoff als Treibstoff benötigen, 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 Brennstoff gelöst - Methylalkohol wird massiv für die chemische Industrie produziert, ist leicht zu lagern und zu transportieren, und zum Aufladen einer Methanol-Brennstoffzelle genügt ein einfacher Austausch der Tankpatrone. Es gibt zwar 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.

Wie in den vielen Jahren der Entwicklung auf dem Brennstoffzellengebiet festgestellt wurde, wurden verschiedene Arten von Brennstoffzellen gebaut. Brennstoffzellen werden nach Elektrolyt und Brennstofftyp 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 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 der Brennstoffzelle 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, von denen es auch viele in diesem Markt gibt, 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.

In letzter Zeit ist das Thema Brennstoffzellen in aller Munde. Und das ist nicht verwunderlich, mit dem Aufkommen dieser Technologie in der Welt der Elektronik hat sie eine neue Geburt gefunden. Weltmarktführer im Bereich der Mikroelektronik wetteifern um die Präsentation von Prototypen ihrer zukünftigen Produkte, die ihre eigenen Mini-Kraftwerke integrieren werden. Dies soll einerseits die Bindung von Mobilgeräten an die „Steckdose“ schwächen und andererseits deren Akkulaufzeit verlängern.

Darüber hinaus arbeiten einige von ihnen auf Basis von Ethanol, sodass die Entwicklung dieser Technologien direkt den Herstellern von alkoholischen Getränken zugute kommt – nach welchen Dutzend Jahren in der Brennerei werden Schlangen von "IT-Spezialisten" hinter den nächsten stehen "Dosis" für ihren Laptop.

Wir können uns nicht vom "Fieber" der Brennstoffzellen fernhalten, das die Hi-Tech-Industrie erfasst hat, und werden versuchen herauszufinden, was für ein Tier diese Technologie ist und was wir essen sollen, wenn wir erwarten können, dass sie in die " Gemeinschaftsverpflegung". In diesem Beitrag betrachten wir den Weg, den Brennstoffzellen von der Entdeckung dieser Technologie bis heute gegangen sind. Wir werden auch versuchen, die Perspektiven ihrer Umsetzung und Entwicklung in der Zukunft abzuschätzen.

Wie war es

Das Prinzip einer Brennstoffzelle wurde erstmals 1838 von Christian Friedrich Schönbein beschrieben, ein Jahr später veröffentlichte das Philosophical Journal seinen Artikel zu diesem Thema. Dies waren jedoch nur theoretische Studien. Die allererste funktionierende Brennstoffzelle wurde 1843 im Labor des walisischen Wissenschaftlers Sir William Robert Grove veröffentlicht. Bei der Entwicklung verwendete der Erfinder ähnliche Materialien wie in modernen Phosphorsäurebatterien. Anschließend wurde die Brennstoffzelle von Sir Grove von W. Thomas Grub verbessert. 1955 verwendete der Chemiker, der für die legendäre General Electric arbeitete, eine sulfonierte Polystyrol-Ionenaustauschermembran als Elektrolyt in einer Brennstoffzelle. Nur drei Jahre später schlug sein Kollege Leonard Niedrach eine Technologie zum Aufbringen von Platin auf eine Membran vor, die als Katalysator bei der Wasserstoffoxidation und Sauerstoffaufnahme fungiert.

Der "Vater" der Brennstoffzelle Christian Schönbein

Diese Prinzipien bildeten die Grundlage für eine neue Generation von Brennstoffzellen, benannt nach ihren Schöpfern „Grubb-Nidrakh“-Elemente. General Electric setzte die Entwicklung in diese Richtung fort, indem mit Unterstützung der NASA und des Luftfahrtgiganten McDonnell Aircraft die erste kommerzielle Brennstoffzelle geschaffen wurde. Die neue Technologie machte im Ausland auf sich aufmerksam. Und bereits 1959 stellte der Brite Francis Thomas Bacon eine stationäre 5-kW-Brennstoffzelle vor. Seine patentierten Entwicklungen wurden später von den Amerikanern lizenziert und in NASA-Raumfahrzeugen zur Strom- und Trinkwasserversorgung eingesetzt. Im selben Jahr baute der Amerikaner Harry Ihrig den ersten Brennstoffzellen-Traktor (Gesamtleistung 15 kW). Als Elektrolyt in den Batterien wurde Kaliumhydroxid und als Reagenzien komprimierter Wasserstoff und Sauerstoff verwendet.

Erstmals hat UTC Power, die Backup-Stromversorgungssysteme für Krankenhäuser, Universitäten und Geschäftszentren anbietet, die Produktion stationärer Brennstoffzellen für kommerzielle Zwecke in Betrieb genommen. Das auf diesem Gebiet weltweit führende Unternehmen produziert noch ähnliche Lösungen mit einer Leistung von bis zu 200 kW. Es ist auch der Hauptlieferant von Brennstoffzellen für die NASA. Seine Produkte waren während des Apollo-Weltraumprogramms weit verbreitet und sind im Space-Shuttle-Programm immer noch gefragt. UTC Power bietet auch "Consumer"-Brennstoffzellen an, die in Fahrzeugen weit verbreitet sind. Sie hat als erste eine Brennstoffzelle entwickelt, die durch den Einsatz einer Protonenaustauschmembran Strom bei negativen Temperaturen ermöglicht.

Wie es funktioniert

Forscher haben mit verschiedenen Substanzen als Reagenzien experimentiert. Die grundlegenden Funktionsprinzipien von Brennstoffzellen bleiben jedoch trotz deutlich unterschiedlicher Betriebseigenschaften unverändert. Jede Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Energieumwandlungsvorrichtung. Es erzeugt Strom aus einer bestimmten Menge Brennstoff (von der Anodenseite) und einem Oxidationsmittel (von der Kathodenseite). Die Reaktion erfolgt in Gegenwart eines Elektrolyten (eine Substanz, die freie Ionen enthält und sich wie ein elektrisch leitfähiges Medium verhält). Im Prinzip treten in jede derartige Vorrichtung bestimmte Reagenzien und die Produkte ihrer Reaktion ein, die nach der Durchführung der elektrochemischen Reaktion entfernt werden. Der Elektrolyt dient dabei nur als Medium für die Wechselwirkung von Reagenzien und verändert sich in der Brennstoffzelle nicht. Nach einem solchen Schema sollte eine ideale Brennstoffzelle funktionieren, solange ein Vorrat an Stoffen vorhanden ist, die für die Reaktion notwendig sind.

Brennstoffzellen sind nicht mit herkömmlichen Batterien zu verwechseln. Im ersten Fall wird etwas „Brennstoff“ für die Stromerzeugung verbraucht, der später nachgetankt werden muss. Bei galvanischen Zellen wird Strom in einem geschlossenen chemischen System gespeichert. Bei Batterien ermöglicht das Anlegen von Strom die elektrochemische Umkehrreaktion und führt die Reagenzien in ihren ursprünglichen Zustand zurück (d. h. laden). Es sind verschiedene Kombinationen von Brennstoff und Oxidationsmittel möglich. Beispielsweise verwendet eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff (Oxidationsmittel) als Reaktanten. Als Brennstoff werden häufig Hydrokarbonate und Alkohole verwendet, als Oxidationsmittel wirken Luft, Chlor und Chlordioxid.

Durch die Katalysereaktion in einer Brennstoffzelle werden Elektronen und Protonen aus dem Brennstoff geschlagen, und in Bewegung befindliche Elektronen erzeugen einen elektrischen Strom. Als Katalysator, der die Reaktion beschleunigt, werden in Brennstoffzellen üblicherweise Platin oder seine Legierungen verwendet. Ein anderer katalytischer Prozess gibt Elektronen zurück, indem er sie mit Protonen und einem Oxidationsmittel kombiniert, um Reaktionsprodukte (Emissionen) zu bilden. Typischerweise handelt es sich bei diesen Emissionen um einfache Stoffe: Wasser und Kohlendioxid.

In einer herkömmlichen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) trennt eine polymere Protonentransfermembran die Anoden- und Kathodenseite. Von der Kathodenseite diffundiert Wasserstoff auf den Anodenkatalysator, von dem anschließend Elektronen und Protonen freigesetzt werden. Die Protonen wandern dann durch die Membran zur Kathode, während Elektronen, die den Protonen nicht folgen können (Membran ist elektrisch isoliert), über einen externen Lastkreis (Stromversorgungssystem) geleitet werden. Auf der Seite des Kathodenkatalysators reagiert Sauerstoff mit Protonen, die die Membran passiert haben, und Elektronen, die durch den externen Lastkreis kommen. Bei dieser Reaktion entsteht Wasser (in Form von Dampf oder Flüssigkeit). Reaktionsprodukte in Brennstoffzellen mit Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen (Methanol, Diesel) sind beispielsweise Wasser und Kohlendioxid.

Nahezu alle Arten von Brennstoffzellen leiden unter elektrischen Verlusten, die sowohl durch den natürlichen Widerstand der Kontakte und Brennstoffzellen als auch durch elektrische Überspannung (zusätzliche Energie für die Anfangsreaktion erforderlich) verursacht werden. In einer Reihe von Fällen ist es nicht möglich, diese Verluste vollständig zu vermeiden und manchmal "das Spiel ist die Kerze nicht wert", aber meistens können sie auf ein akzeptables Minimum reduziert werden. Eine Lösung dieses Problems ist der Einsatz von Sets dieser Geräte, bei denen die Brennstoffzellen je nach Anforderungen an das Stromversorgungssystem parallel (höherer Strom) oder in Reihe (höhere Spannung) geschaltet werden können.

Brennstoffzellentypen

Es gibt sehr viele Arten von Brennstoffzellen, aber wir werden versuchen, kurz auf die gebräuchlichsten einzugehen.

Alkalische Brennstoffzellen (AFC)

Alkalische oder alkalische Brennstoffzellen, nach ihrem britischen „Vater“ auch Bacon-Zellen genannt, sind eine der am weitesten entwickelten Brennstoffzellentechnologien. Es waren diese Geräte, die dem Menschen halfen, den Mond zu betreten. Im Allgemeinen setzt die NASA solche Brennstoffzellen seit Mitte der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts ein. AFCs verbrauchen Wasserstoff und reinen Sauerstoff, um Trinkwasser, Wärme und Strom zu produzieren. Vor allem aufgrund der perfekten Entwicklung dieser Technologie hat sie einen der höchsten Effizienzindikatoren unter ähnlichen Systemen (Potenzial liegt bei etwa 70%).

Allerdings hat diese Technologie auch ihre Nachteile. Aufgrund der Besonderheit der Verwendung einer flüssigen alkalischen Substanz als Elektrolyt, die Kohlendioxid nicht blockiert, ist es möglich, dass Kaliumhydroxid (eine der Optionen für den verwendeten Elektrolyten) mit diesem Bestandteil der gewöhnlichen Luft reagiert. Dabei kann die giftige Verbindung Kaliumcarbonat entstehen. Um dies zu vermeiden, muss entweder reiner Sauerstoff verwendet oder die Luft von Kohlendioxid gereinigt werden. Dies wirkt sich natürlich auf die Kosten solcher Geräte aus. Trotzdem sind AFCs die am billigsten herzustellenden Brennstoffzellen, die heute erhältlich sind.

Direkte Borhydrid-Brennstoffzellen (DBFC)

Dieser Untertyp der alkalischen Brennstoffzellen verwendet Natriumborhydrid als Brennstoff. Im Gegensatz zu herkömmlichen wasserstoffbetriebenen AFCs hat diese Technologie jedoch einen wesentlichen Vorteil: Es besteht keine Gefahr, bei Kontakt mit Kohlendioxid giftige Verbindungen zu bilden. Das Produkt seiner Reaktion ist jedoch Borax, eine Substanz, die häufig in Waschmitteln und Seifen verwendet wird. Borax ist relativ ungiftig.

DBFCs können noch günstiger hergestellt werden als herkömmliche Brennstoffzellen, da sie keine teuren Platinkatalysatoren benötigen. Außerdem haben sie eine höhere Energiedichte. Es wird geschätzt, dass die Herstellung eines Kilogramms Natriumborhydrid 50 US-Dollar kostet, aber wenn Sie die Massenproduktion organisieren und mit der Verarbeitung von Borax beginnen, kann dieser Balken um das 50-fache reduziert werden.

Metallhydrid-Brennstoffzellen (MHFC)

Diese Unterklasse der alkalischen Brennstoffzellen wird derzeit aktiv untersucht. Ein Merkmal dieser Geräte ist die Fähigkeit, Wasserstoff in einer Brennstoffzelle chemisch zu speichern. Eine direkte Borhydrid-Brennstoffzelle hat die gleiche Fähigkeit, aber im Gegensatz dazu ist die MHFC mit reinem Wasserstoff gefüllt.

Zu den charakteristischen Merkmalen dieser Brennstoffzellen gehören:

• die Fähigkeit, sich mit elektrischer Energie aufzuladen;
• bei niedrigen Temperaturen arbeiten - bis zu -20 ° C;
• lange Haltbarkeit;
• schneller Kaltstart;
• die Fähigkeit, einige Zeit ohne externe Wasserstoffquelle zu arbeiten (zum Zeitpunkt des Kraftstoffaustauschs).

Trotz der Tatsache, dass viele Unternehmen an der Entwicklung von Massen-MHFCs arbeiten, ist die Effektivität von Prototypen im Vergleich zu konkurrierenden Technologien nicht hoch genug. Eine der besten Stromdichten für diese Brennstoffzellen beträgt 250 Milliampere pro Quadratzentimeter, während herkömmliche PEMFC-Standard-Brennstoffzellen eine Stromdichte von 1 Ampere pro Quadratzentimeter liefern.

Elektrogalvanische Brennstoffzellen (EGFC)

Die chemische Reaktion in EGFC findet unter Beteiligung von Kaliumhydroxid und Sauerstoff statt. Dadurch entsteht ein elektrischer Strom zwischen der Bleianode und der vergoldeten Kathode. Die von einer elektro-galvanischen Brennstoffzelle gelieferte Spannung ist direkt proportional zur Sauerstoffmenge. Diese Funktion hat es dem EGFC ermöglicht, weit verbreitete Verwendung als Sauerstoffüberwachungsgeräte in Tauchausrüstung und medizinischen Geräten zu finden. Aber gerade aufgrund dieser Abhängigkeit haben Brennstoffzellen auf Basis von Kaliumhydroxid eine sehr begrenzte Wirkdauer (solange die Sauerstoffkonzentration hoch ist).

Die ersten zertifizierten EGFC-Sauerstoffmonitore wurden im Jahr 2005 massenhaft verfügbar, fanden aber damals nicht viel Popularität. Zwei Jahre später erschienen, war das deutlich modifizierte Modell deutlich erfolgreicher und gewann sogar den Preis für „Innovation“ auf der Specialty Diving Show in Florida. Derzeit werden sie von Organisationen wie NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) und DDRC (Diving Diseases Research Center) verwendet.

Direkte Ameisensäure-Brennstoffzellen (DFAFC)

Diese Brennstoffzellen sind eine Unterart von PEMFCs mit direkter Ameisensäurezufuhr. Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften haben diese Brennstoffzellen in Zukunft große Aussichten, die Hauptstromversorgung für tragbare Elektronik wie Laptops, Mobiltelefone usw. zu werden.

Ameisensäure wird wie Methanol ohne speziellen Reinigungsschritt direkt der Brennstoffzelle zugeführt. Auch die Lagerung dieses Stoffes ist wesentlich sicherer als beispielsweise Wasserstoff, zudem müssen keine besonderen Lagerbedingungen eingehalten werden: Ameisensäure ist bei normalen Temperaturen flüssig. Darüber hinaus hat diese Technologie zwei unbestreitbare Vorteile gegenüber Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Erstens leckt Ameisensäure im Gegensatz zu Methanol nicht durch die Membran. Daher sollte die Effizienz der DFAFC per Definition höher sein. Zweitens ist Ameisensäure bei Druckentlastung nicht so gefährlich (Methanol kann zur Erblindung und bei starker Dosierung zum Tod führen).

Interessanterweise sahen viele Wissenschaftler dieser Technologie bis vor kurzem keine praktische Zukunft. Der Grund, warum die Forscher jahrelang auf Ameisensäure verzichteten, war die hohe elektrochemische Überspannung, die zu erheblichen elektrischen Verlusten führte. Die Ergebnisse neuerer Experimente haben jedoch gezeigt, dass der Grund für diese Ineffizienz der Einsatz von Platin als Katalysator war, der traditionell für diesen Zweck in Brennstoffzellen weit verbreitet ist. Nachdem Wissenschaftler der University of Illinois eine Reihe von Experimenten mit anderen Materialien durchgeführt hatten, stellte sich heraus, dass die Produktivität von DFAFC bei Verwendung von Palladium als Katalysator höher ist als die von äquivalenten Direktmethanol-Brennstoffzellen. Die Technologie gehört derzeit dem amerikanischen Unternehmen Tekion, das seine Produktlinie Formira Power Pack für mikroelektronische Geräte anbietet. Dieses System ist ein „Duplex“-System bestehend aus einer Batterie und der eigentlichen Brennstoffzelle. Nachdem der Vorrat an Reagenzien in der Kartusche zum Aufladen des Akkus aufgebraucht ist, ersetzt der Benutzer diese einfach durch eine neue. Dadurch wird es völlig unabhängig von der "Steckdose". Laut Versprechen des Herstellers wird sich die Ladezeit verdoppeln, obwohl die Technologie nur 10-15% mehr kostet als herkömmliche Batterien. Das einzige gravierende Hindernis für diese Technologie kann sein, dass sie von einem mittelständischen Unternehmen getragen wird und sie von Wettbewerbern größeren Maßstabs einfach „überwältigt“ werden kann, die ihre Technologien präsentieren, die DFAFC in a . sogar unterlegen sein können Anzahl der Parameter.

Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC)

Diese Brennstoffzellen sind eine Untergruppe von Protonenaustauschmembranvorrichtungen. Sie nutzen Methanol, das ohne zusätzliche Reinigung in die Brennstoffzelle eingespeist wird. Methylalkohol ist jedoch viel einfacher zu lagern und nicht explosiv (obwohl er entzündlich ist und zur Erblindung führen kann). Gleichzeitig hat Methanol eine deutlich höhere Energiekapazität als komprimierter Wasserstoff.

Aufgrund der Tatsache, dass Methanol durch die Membran entweichen kann, ist die Wirksamkeit von DMFC bei großen Kraftstoffmengen jedoch gering. Aus diesem Grund sind sie zwar nicht für Transport und große Installationen geeignet, dafür eignen sich diese Geräte aber hervorragend als Ersatz für Batterien in mobilen Geräten.

Verarbeitete Methanol-Brennstoffzellen (RMFC)

Aufbereitete Methanolbrennstoffzellen unterscheiden sich von DMFCs nur dadurch, dass sie Methanol in Wasserstoff und Kohlendioxid umwandeln, bevor sie Strom erzeugen. Dies geschieht in einem speziellen Gerät, das als Brennstoffprozessor bezeichnet wird. Nach dieser Vorstufe (die Reaktion wird bei Temperaturen über 250 °C durchgeführt) geht Wasserstoff eine Oxidationsreaktion ein, wodurch Wasser gebildet und Strom erzeugt wird.

Die Verwendung von Methanol in RMFC ist darauf zurückzuführen, dass es ein natürlicher Wasserstoffträger ist und bei einer ausreichend niedrigen Temperatur (im Vergleich zu anderen Stoffen) in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt werden kann. Daher ist diese Technologie fortschrittlicher als DMFC. Brennstoffzellen mit aufbereitetem Methanol sind effizienter, kompakter und arbeiten bei Minustemperaturen.

Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen (DEFC)

Ein weiterer Vertreter der Klasse der Brennstoffzellen mit einem Protonenaustauschgitter. Wie der Name schon sagt, gelangt Ethanol unter Umgehung einer zusätzlichen Reinigung oder Zersetzung in einfachere Substanzen in die Brennstoffzelle. Das erste Plus dieser Geräte ist die Verwendung von Ethylalkohol anstelle von giftigem Methanol. Das bedeutet, dass Sie nicht viel Geld in die Etablierung dieses Kraftstoffs investieren müssen.

Die Energiedichte von Alkohol ist etwa 30 % höher als die von Methanol. Außerdem kann es in großen Mengen aus Biomasse gewonnen werden. Um die Kosten von Ethanol-Brennstoffzellen zu senken, wird aktiv nach einem alternativen Katalysatormaterial gesucht. Platin, das traditionell in Brennstoffzellen für diese Zwecke verwendet wird, ist zu teuer und ein erhebliches Hindernis für die Masseneinführung dieser Technologien. Die Lösung dieses Problems können Katalysatoren aus einer Mischung von Eisen, Kupfer und Nickel sein, die in experimentellen Systemen beeindruckende Ergebnisse zeigen.

Zink-Luft-Brennstoffzellen (ZAFC)

ZAFCs nutzen die Oxidation von Zink mit Sauerstoff aus der Luft, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese Brennstoffzellen sind kostengünstig herzustellen und bieten eine ziemlich hohe Energiedichte. Sie werden derzeit in Hörgeräten und experimentellen Elektroautos eingesetzt.

Auf der Anodenseite befindet sich eine Mischung aus Zinkpartikeln mit einem Elektrolyten und auf der Kathodenseite Wasser und Sauerstoff aus der Luft, die miteinander reagieren und ein Hydroxyl bilden (sein Molekül ist ein Sauerstoffatom und a Wasserstoffatom, zwischen dem eine kovalente Bindung besteht). Durch die Reaktion von Hydroxyl mit einer Zinkmischung werden Elektronen freigesetzt, die zur Kathode gelangen. Die von solchen Brennstoffzellen erzeugte maximale Spannung beträgt 1,65 V, wird jedoch in der Regel künstlich auf 1,4-1,35 V reduziert, wodurch der Luftzugang zum System eingeschränkt wird. Die Endprodukte dieser elektrochemischen Reaktion sind Zinkoxid und Wasser.

Diese Technologie kann sowohl in Batterien (ohne Nachladen) als auch in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Im letzteren Fall wird die Kammer von der Anodenseite her gereinigt und wieder mit Zinkpaste gefüllt. Generell hat sich die ZAFC-Technologie als einfache und zuverlässige Batterie etabliert. Ihr unbestreitbarer Vorteil ist die Möglichkeit, die Reaktion nur durch Anpassung der Luftzufuhr zur Brennstoffzelle zu steuern. Viele Forscher betrachten Zink-Luft-Brennstoffzellen als künftige Hauptstromquelle für Elektrofahrzeuge.

Mikrobielle Brennstoffzellen (MFC)

Die Idee, Bakterien zum Wohle der Menschheit einzusetzen, ist nicht neu, obwohl es in letzter Zeit zur Verwirklichung dieser Ideen gekommen ist. Aktuell wird die Frage der kommerziellen Nutzung der Biotechnologie zur Herstellung verschiedener Produkte (zum Beispiel die Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse), die Neutralisierung von Schadstoffen und die Stromerzeugung aktiv untersucht. Mikrobielle Brennstoffzellen, auch biologisch genannt, sind ein biologisches elektrochemisches System, das mithilfe von Bakterien elektrischen Strom erzeugt. Diese Technologie basiert auf dem Katabolismus (Zersetzung eines komplexen Moleküls in ein einfacheres unter Energiefreisetzung) von Substanzen wie Glukose, Acetat (Essigsäuresalz), Butyrat (Buttersäuresalz) oder Abwasser. Durch ihre Oxidation werden Elektronen freigesetzt, die auf die Anode übertragen werden, woraufhin der erzeugte elektrische Strom durch den Leiter zur Kathode fließt.

In solchen Brennstoffzellen werden in der Regel Mediatoren verwendet, um die Durchlässigkeit von Elektronen zu verbessern. Das Problem ist, dass Substanzen, die als Mediatoren wirken, teuer und giftig sind. Bei der Verwendung elektrochemisch aktiver Bakterien werden jedoch keine Mediatoren benötigt. Solche "mediatorfreien" mikrobiellen Brennstoffzellen wurden erst vor kurzem entwickelt, und daher wurden bisher nicht alle ihre Eigenschaften gut untersucht.

Trotz der Hindernisse, die MFC noch zu überwinden hat, hat diese Technologie ein enormes Potenzial. Erstens ist der "Kraftstoff" nicht schwer zu finden. Darüber hinaus ist das Thema Abwasserbehandlung und Entsorgung vieler Abfälle heute sehr akut. Der Einsatz dieser Technologie könnte beide Probleme lösen. Zweitens kann seine Wirksamkeit theoretisch sehr hoch sein. Das Hauptproblem für die Ingenieure von mikrobiellen Brennstoffzellen sind, und tatsächlich das wichtigste Element dieses Geräts, Mikroben. Und während sich Mikrobiologen, die zahlreiche Forschungsstipendien erhalten, freuen, reiben sich auch Science-Fiction-Autoren die Hände in Erwartung des Erfolgs von Büchern, die sich mit den Folgen der "Veröffentlichung" der falschen Mikroorganismen beschäftigen. Natürlich besteht die Gefahr, etwas zu entfernen, das nicht nur unnötigen Abfall, sondern auch etwas Wertvolles "verdaut". Daher ist man, wie bei jeder neuen Biotechnologie, grundsätzlich skeptisch, eine Kiste voller Bakterien in der Tasche zu tragen.

Anwendung

Stationäre Haushalts- und Industriekraftwerke

Brennstoffzellen werden als Energiequelle in allen Arten von autonomen Systemen wie Raumschiffen, abgelegenen Wetterstationen, militärischen Einrichtungen usw. Der Hauptvorteil eines solchen Stromversorgungssystems ist die extrem hohe Zuverlässigkeit im Vergleich zu anderen Technologien. Aufgrund des Fehlens beweglicher Teile und jeglicher Mechanismen in den Brennstoffzellen kann die Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen 99,99% erreichen. Außerdem kann bei der Verwendung von Wasserstoff als Reagenz ein sehr geringes Gewicht erreicht werden, was bei Raumfahrtgeräten eines der wichtigsten Kriterien ist.

In letzter Zeit werden Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die in Wohngebäuden und Büros weit verbreitet sind, immer weiter verbreitet. Die Besonderheit dieser Systeme besteht darin, dass sie ständig Strom erzeugen, der, wenn er nicht sofort verbraucht wird, zur Erwärmung von Wasser und Luft verwendet wird. Obwohl der elektrische Wirkungsgrad solcher Anlagen nur 15-20% beträgt, wird dieser Nachteil dadurch ausgeglichen, dass ungenutzter Strom zur Wärmeerzeugung verwendet wird. Im Allgemeinen beträgt die Energieeffizienz solcher kombinierten Systeme etwa 80 %. Eines der besten Reagenzien für solche Brennstoffzellen ist Phosphorsäure. Diese Anlagen bieten eine Energieeffizienz von 90% (35-50% Strom und der Rest Wärme).

Transport

Energiesysteme auf Basis von Brennstoffzellen sind im Verkehr weit verbreitet. Die Deutschen gehörten übrigens zu den ersten, die mit dem Einbau von Brennstoffzellen in Fahrzeuge begannen. So debütierte vor acht Jahren das weltweit erste kommerzielle Boot, das mit einem solchen Setup ausgestattet war. Dieses kleine Schiff mit dem Namen "Hydra" und für bis zu 22 Passagiere ausgelegt, wurde im Juni 2000 in der Nähe der ehemaligen deutschen Hauptstadt vom Stapel gelassen. Wasserstoff (alkalische Brennstoffzelle) dient als energietragendes Reagens. Durch den Einsatz von alkalischen (alkalischen) Brennstoffzellen ist das Gerät in der Lage, bei Temperaturen bis –10 °C Strom zu erzeugen und hat keine „Angst“ vor Salzwasser. Das Boot "Hydra", angetrieben von einem 5 kW Elektromotor, erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 6 Knoten (ca. 12 km / h).

Boot "Hydra"

Brennstoffzellen (insbesondere Wasserstoff) im Landverkehr haben sich stark verbreitet. Generell wird Wasserstoff schon seit geraumer Zeit als Kraftstoff für Automobilmotoren verwendet, und im Prinzip lässt sich ein konventioneller Verbrennungsmotor relativ einfach auf diesen alternativen Kraftstoff umrüsten. Die konventionelle Verbrennung von Wasserstoff ist jedoch weniger effizient als die Stromerzeugung durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Und im Idealfall ist Wasserstoff, wenn er in Brennstoffzellen verwendet wird, absolut sicher für die Natur bzw chemische Reaktion.

Es stimmt, hier gibt es erwartungsgemäß mehrere große "Aber". Tatsache ist, dass viele Technologien zur Herstellung von Wasserstoff aus nicht erneuerbaren Ressourcen (Erdgas, Kohle, Erdölprodukte) nicht so unschädlich für die Umwelt sind, da bei ihrem Prozess eine große Menge Kohlendioxid freigesetzt wird. Theoretisch gibt es überhaupt keine schädlichen Emissionen, wenn Sie erneuerbare Ressourcen verwenden, um es zu gewinnen. In diesem Fall steigen jedoch die Kosten erheblich. Aus diesen Gründen ist nach Ansicht vieler Experten das Potenzial von Wasserstoff als Ersatz für Benzin oder Erdgas sehr begrenzt. Schon jetzt gibt es günstigere Alternativen, und Brennstoffzellen auf dem ersten Element des Periodensystems werden es wahrscheinlich nie schaffen, ein Massenphänomen in Fahrzeugen zu werden.

Autohersteller experimentieren recht aktiv mit Wasserstoff als Energieträger. Und der Hauptgrund dafür ist die eher harte Position der EU in Bezug auf schädliche Emissionen in die Atmosphäre. Angetrieben durch immer strengere Restriktionen in Europa präsentierten Daimler AG, Fiat und Ford Motor Company ihre Vision für die Zukunft der Brennstoffzelle im Automobilbau und statteten ihre Basismodelle mit ähnlichen Kraftwerken aus. Ein weiterer europäischer Autogigant, Volkswagen, bereitet derzeit sein Brennstoffzellenfahrzeug vor. Japanische und südkoreanische Firmen halten mit ihnen Schritt. Allerdings setzt nicht jeder auf diese Technologie. Viele Menschen ziehen es vor, Verbrennungsmotoren zu modifizieren oder mit batteriebetriebenen Elektromotoren zu kombinieren. Toyota, Mazda und BMW sind diesem Weg gefolgt. Was die amerikanischen Unternehmen betrifft, so präsentierte General Motors neben Ford mit seinem Focus-Modell auch mehrere Brennstoffzellen-Fahrzeuge. All diese Unternehmungen werden von vielen Staaten aktiv gefördert. In den Vereinigten Staaten gibt es beispielsweise ein Gesetz, nach dem ein neu auf den Markt kommendes Hybridauto von Steuern befreit ist, die durchaus ansehnlich sein können, da solche Autos in der Regel teurer sind als ihre Pendants mit traditionelle Verbrennungsmotoren. Das macht Hybride als Kauf noch attraktiver. Zwar gilt dieses Gesetz bisher nur für Modelle, die auf den Markt kommen, bis der Absatz von 60.000 Autos erreicht ist, danach wird die Leistung automatisch storniert.

Elektronik

In jüngster Zeit haben Brennstoffzellen begonnen, in Laptops, Mobiltelefonen und anderen mobilen elektronischen Geräten weit verbreitete Verwendung zu finden. Grund dafür war die rasant zunehmende Völlerei an Geräten, die für den langfristigen autonomen Betrieb gedacht sind. Große Touchscreens, leistungsstarkes Audio und die Einführung von Wi-Fi, Bluetooth und anderen hochfrequenten drahtlosen Protokollen in Telefonen haben auch die Batterieanforderungen geändert. Und obwohl Akkus seit den Tagen der ersten Handys große Fortschritte in Bezug auf Kapazität und Kompaktheit gemacht haben (sonst dürften die Fans heute mit diesen Kommunikationswaffen keine Stadien betreten), können sie mit der Miniaturisierung der elektronische Schaltungen oder der Wunsch der Hersteller, immer mehr Funktionen in ihre Produkte zu integrieren. Ein weiterer wesentlicher Nachteil aktueller Akkumulatoren ist ihre lange Ladezeit. All dies führt dazu, dass je mehr Funktionen in einem Telefon oder Multimedia-Player im Taschenformat zur Erhöhung der Autonomie seines Besitzers (drahtloses Internet, Navigationssysteme usw.)

Über Laptops, viel weniger begrenzt in der maximalen Größe, und es gibt nichts zu sagen. Längst hat sich eine Nische von superproduktiven Laptops gebildet, die außer für einen solchen Transfer von einem Büro in ein anderes überhaupt nicht für den autonomen Betrieb gedacht sind. Und selbst der sparsamste Laptop der Welt kann kaum einen ganzen Tag Akkulaufzeit bekommen. Daher ist die Frage nach einer Alternative zu herkömmlichen Akkus, die nicht teurer, aber auch viel effizienter wäre, sehr akut. Und mit der Lösung dieses Problems beschäftigen sich in letzter Zeit führende Vertreter der Branche. Vor nicht allzu langer Zeit wurden kommerzielle Methanol-Brennstoffzellen eingeführt, die bereits im nächsten Jahr mit der Massenlieferung beginnen könnten.

Die Forscher entschieden sich aus irgendeinem Grund für Methanol gegenüber Wasserstoff. Es ist viel einfacher, Methanol zu lagern, da Sie keinen hohen Druck erzeugen oder ein spezielles Temperaturregime vorsehen müssen. Methylalkohol ist bei Temperaturen zwischen -97,0 °C und 64,7 °C flüssig. In diesem Fall ist die im N-ten Volumen Methanol enthaltene spezifische Energie um eine Größenordnung höher als im gleichen Volumen Wasserstoff unter hohem Druck. Die Direktmethanol-Brennstoffzellentechnologie, die in mobilen elektronischen Geräten weit verbreitet ist, verwendet Methylalkohol, indem der Brennstoffzellentank einfach unter Umgehung des katalytischen Umwandlungsprozesses befüllt wird (daher der Name "Direktmethanol"). Dies ist auch ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie.

Alle diese Pluspunkte hatten jedoch erwartungsgemäß ihre Nachteile, was den Anwendungsbereich erheblich einschränkte. Da diese Technologie noch nicht ausgereift ist, bleibt das Problem der geringen Effizienz solcher Brennstoffzellen durch das "Leck" von Methanol durch das Membranmaterial ungelöst. Außerdem haben sie keine beeindruckenden dynamischen Eigenschaften. Was mit dem an der Anode entstehenden Kohlendioxid zu tun ist, ist nicht einfach zu klären. Moderne DMFC-Geräte sind nicht in der Lage, große Energiemengen zu erzeugen, aber sie haben eine hohe Energiekapazität für ein kleines Materievolumen. Damit steht zwar noch nicht viel Energie zur Verfügung, aber Direktmethanolbrennstoffzellen können diese noch lange erzeugen. Dadurch können sie aufgrund ihrer geringen Leistung nicht direkt in Fahrzeugen eingesetzt werden, sind aber eine nahezu ideale Lösung für mobile Geräte, bei denen es auf die Batterielebensdauer ankommt.

Neueste Trends

Obwohl Brennstoffzellen für Fahrzeuge schon seit langem produziert werden, haben sich diese Lösungen noch nicht durchgesetzt. Dafür gibt es viele Gründe. Und die wichtigsten sind die wirtschaftliche Unangemessenheit und der Unwille der Hersteller, die Produktion von Kraftstoffen zu einem erschwinglichen Preis in Betrieb zu nehmen. Versuche, den natürlichen Übergang zu erneuerbaren Energien erwartungsgemäß zu beschleunigen, führten zu nichts Gutem. Der Grund für die stark gestiegenen Preise für Agrarprodukte liegt natürlich eher nicht darin, dass diese massiv in Biokraftstoffe umgewandelt wurden, sondern darin, dass viele Länder in Afrika und Asien nicht einmal in der Lage sind, genügend Produkte herzustellen Binnennachfrage nach Produkten zu decken.

Natürlich wird die Verweigerung der Verwendung von Biokraftstoffen nicht zu einer wesentlichen Verbesserung der Situation auf dem Weltnahrungsmittelmarkt führen, aber im Gegenteil könnte sie europäischen und amerikanischen Landwirten einen Schlag versetzen, die zum ersten Mal seit vielen Jahren die Möglichkeit gutes Geld zu verdienen. Aber der ethische Aspekt dieses Themas kann nicht abgeschrieben werden, da es hässlich ist, "Brot" in Tanks zu füllen, wenn Millionen Menschen hungern. Daher werden insbesondere die europäischen Politiker der Biotechnologie gegenüber jetzt kühler sein, was bereits durch die Überarbeitung der Strategie für den Übergang zu erneuerbaren Energien bestätigt wird.

In dieser Situation dürfte die Mikroelektronik das vielversprechendste Anwendungsfeld für Brennstoffzellen werden. Hier haben Brennstoffzellen die größten Chancen, Fuß zu fassen. Erstens sind Handykäufer experimentierfreudiger als beispielsweise Autokäufer. Und zweitens sind sie bereit, Geld auszugeben und sind in der Regel nicht abgeneigt, "die Welt zu retten". Bestätigt wird dies durch den überwältigenden Erfolg der roten „Bono“-Version des iPod Nano, von deren Verkauf ein Teil auf die Konten des Roten Kreuzes floss.

"Bono"-Version des Apple iPod Nano

Zu denjenigen, die sich mit Brennstoffzellen für die tragbare Elektronik beschäftigt haben, gehören sowohl Unternehmen, die sich zuvor auf die Herstellung von Brennstoffzellen spezialisiert haben und nun einfach ein neues Anwendungsfeld erschlossen haben, als auch führende Hersteller von Mikroelektronik. So kündigte beispielsweise MTI Micro, das sein Geschäft auf die Produktion von Methanol-Brennstoffzellen für mobile elektronische Geräte umfunktionierte, vor kurzem an, 2009 mit der Massenproduktion zu beginnen. Außerdem präsentierte sie das weltweit erste GPS-Gerät auf Basis von Methanol-Brennstoffzellen. Nach Angaben von Vertretern dieses Unternehmens werden seine Produkte in naher Zukunft herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien vollständig ersetzen. Zwar werden sie zunächst nicht billig sein, aber dieses Problem begleitet jede neue Technologie.

Für ein Unternehmen wie Sony, das kürzlich seine Version des DMFC-Geräts für die Stromversorgung eines Multimediasystems demonstriert hat, sind diese Technologien neu, aber sie haben ernsthaft die Absicht, sich nicht in einem vielversprechenden neuen Markt zu verlieren. Sharp wiederum ging noch weiter und stellte kürzlich mit seinem Prototypen der Brennstoffzelle einen Weltrekord für die spezifische Energiekapazität von 0,3 W für einen Kubikzentimeter Methylalkohol auf. Sogar die Regierungen vieler Länder haben sich bereit erklärt, die Hersteller dieser Brennstoffzellen zu treffen. So hoben die Flughäfen in den USA, Kanada, Großbritannien, Japan und China trotz der Giftigkeit und Entflammbarkeit von Methanol die bisher bestehenden Beschränkungen für den Transport in der Kabine auf. Dies gilt natürlich nur für zertifizierte Brennstoffzellen mit einer maximalen Kapazität von 200 ml. Dennoch bestätigt dies einmal mehr das Interesse nicht nur von Enthusiasten, sondern auch von Staaten an diesen Entwicklungen.

Zwar gehen die Hersteller noch immer auf Nummer sicher und bieten Brennstoffzellen hauptsächlich als Notstromsystem an. Eine solche Lösung ist die Kombination aus Brennstoffzelle und Akku: Solange Kraftstoff vorhanden ist, lädt er die Batterie ständig auf, und wenn sie leer ist, ersetzt der Anwender einfach die leere Kartusche durch einen neuen Behälter mit Methanol. Ein weiterer beliebter Trend ist die Entwicklung von Brennstoffzellen-Ladegeräten. Sie können unterwegs verwendet werden. Sie können jedoch Batterien sehr schnell aufladen. Mit anderen Worten, es ist möglich, dass in Zukunft jeder eine solche "Steckdose" in der Tasche trägt. Dieser Ansatz kann insbesondere bei Mobiltelefonen relevant sein. Laptops wiederum könnten in absehbarer Zeit eingebaute Brennstoffzellen bekommen, die das Laden an der „Steckdose“ zwar nicht vollständig ersetzen, aber zumindest zu einer ernsthaften Alternative werden.

So wird nach der Prognose des größten deutschen Chemiekonzerns BASF, der kürzlich den Baubeginn seines Zentrums für die Entwicklung von Brennstoffzellen in Japan angekündigt hat, der Markt für diese Geräte bis 2010 eine Milliarde US-Dollar betragen. Gleichzeitig prognostizieren ihre Analysten das Wachstum des Brennstoffzellenmarktes auf 20 Milliarden US-Dollar bis 2020. In diesem Zentrum will BASF übrigens Brennstoffzellen für tragbare Elektronik (insbesondere Laptops) und stationäre Energiesysteme entwickeln. Der Standort für dieses Unternehmen wurde nicht zufällig gewählt ¬ die Hauptabnehmer dieser Technologien sieht das deutsche Unternehmen vor Ort.

Statt Schlussfolgerung

Natürlich darf man von Brennstoffzellen nicht erwarten, dass sie das bestehende Stromversorgungssystem ersetzen. Auf absehbare Zeit jedenfalls. Dies ist ein zweischneidiges Schwert: Tragbare Kraftwerke sind sicherlich effizienter, da keine Verluste bei der Stromlieferung an den Verbraucher auftreten, aber es sollte auch berücksichtigt werden, dass sie zu einem ernsthaften Wettbewerber werden können nur dann an das zentrale Energieversorgungssystem, wenn ein zentrales Brennstoffversorgungssystem für diese Anlagen geschaffen wird. Das heißt, die „Steckdose“ muss letztlich durch ein Rohr ersetzt werden, das jedes Haus und jeden Winkel mit den notwendigen Reagenzien versorgt. Und das ist nicht genau die Freiheit und Unabhängigkeit von externen Stromquellen, von denen die Brennstoffzellenhersteller sprechen.

Diese Geräte haben einen unbestreitbaren Vorteil in Form der Ladegeschwindigkeit - sie wechselten einfach die Methanolkartusche (im Extremfall entkorkte Jack Daniel's Trophäe) in der Kamera, und sprangen wieder die Treppe des Louvre hoch alle 2-3 Tage aufladen, dann ist es unwahrscheinlich, dass die Alternative in Form des nur im Fachhandel erhältlichen Kartuschenwechsels auch einmal alle zwei Wochen vom Massenverbraucher so gefordert wird des Kraftstoffs beim Endverbraucher ankommt, wird sein Preis Zeit haben zu wachsen.

Andererseits kann eine Kombination aus klassischem Laden aus der „Steckdose“, Brennstoffzellen und anderen alternativen Energieversorgungssystemen (z. Brennstoffzellen können jedoch bei einer bestimmten Gruppe von elektronischen Produkten weit verbreitet verwendet werden. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass Canon kürzlich seine eigenen Brennstoffzellen für Digitalkameras patentiert und eine Strategie zur Einführung dieser Technologien in seine Lösungen angekündigt hat. Was Laptops anbelangt, wenn Brennstoffzellen sie in naher Zukunft erreichen, dann wahrscheinlich nur als Notstromsystem. Jetzt sprechen wir zum Beispiel hauptsächlich nur über externe Lademodule, die zusätzlich an einen Laptop angeschlossen werden.

Aber diese Technologien haben langfristig große Entwicklungsperspektiven. Insbesondere vor dem Hintergrund einer drohenden Ölknappheit, die in den nächsten Jahrzehnten auftreten kann. Wichtiger ist unter diesen Bedingungen nicht einmal, wie günstig die Produktion von Brennstoffzellen sein wird, sondern wie hoch die Kraftstoffproduktion für sie sein wird, unabhängig von der petrochemischen Industrie und ob sie den Bedarf dafür decken kann.

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 erzeugen, 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 getauchte Platinelektrode und eine Zinkelektrode in Zinksulfat. 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" (engl. "Fuel Cell") 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. Die 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 eignen sich gut als stationäre oder Autogeneratoren, aber für kompakte mobile Geräte benötigen Sie etwas weniger Umständliches.

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 275 x 75 x 40 mm, mit dem der Computer 5 Stunden nach einer Auftankung arbeiten kann.

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 (