Brennstoffzellen. Brennstoffzellen: ein Blick in die Zukunft

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)

Methanolbrennstoffzellen sind hinsichtlich der Betriebstemperatur mit PEMFCs vergleichbar, jedoch nicht so effizient. Außerdem benötigen DMFCs viel Platin als Katalysator, 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 athode - 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. Daher verwenden Niedertemperatur-Brennstoffzellen Leichtmetalle, Graphit und Verbundverbindungen aus Kohlenstoff und Duroplasten (Duroplastik 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 der Motor + Wechselrichter hat einen Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 72 Prozent.

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

Betrachten wir 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 mit Brennstoffzellen-Hybridantrieb wird derzeit 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 kostengünstige 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 Energieerzeugungsmethoden werden. Doch mit weltweiter Unterstützung und globaler Zusammenarbeit könnte ein zukunftsfähiges Brennstoffzellen-Energiesystem in nur wenigen Jahrzehnten Realität werden.

Ähnlich wie es verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren gibt, gibt es unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen – die Wahl des geeigneten Brennstoffzellentyps hängt von der Anwendung ab.

Brennstoffzellen werden in Hochtemperatur- und Niedertemperaturzellen unterteilt. Niedertemperatur-Brennstoffzellen benötigen relativ reinen Wasserstoff als Brennstoff. Dies bedeutet oft, dass eine Brennstoffaufbereitung erforderlich ist, um den Primärbrennstoff (wie Erdgas) in reinen Wasserstoff umzuwandeln. Dieser Prozess verbraucht zusätzliche Energie und erfordert eine spezielle Ausrüstung. Hochtemperatur-Brennstoffzellen benötigen dieses zusätzliche Verfahren nicht, da sie bei erhöhten Temperaturen eine „interne Umwandlung“ des Kraftstoffs durchführen können und somit keine Investitionen in eine Wasserstoffinfrastruktur erforderlich sind.

Brennstoffzellen auf Basis von Schmelzkarbonat (RKTE)

Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht die direkte Nutzung von Erdgas ohne Prozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert in Produktionsprozessbrennstoffen und aus anderen Quellen. Dieses Verfahren wurde Mitte der 1960er Jahre entwickelt. Seitdem wurden Produktionstechnologie, Leistung und Zuverlässigkeit verbessert.

Der Betrieb von RKTE unterscheidet sich von anderen Brennstoffzellen. Diese Zellen verwenden einen Elektrolyten aus einer Mischung von geschmolzenen Karbonatsalzen. Derzeit sind zwei Arten von Mischungen im Einsatz: Lithiumcarbonat und Kaliumcarbonat oder Lithiumcarbonat und Natriumcarbonat. Um Karbonatsalze aufzuschmelzen und eine hohe Ionenbeweglichkeit im Elektrolyten zu erreichen, arbeiten Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt bei hohen Temperaturen (650 °C). Der Wirkungsgrad variiert zwischen 60-80%.

Bei Erhitzung auf 650 °C werden Salze zum Leiter für Karbonationen (CO 3 2-). Diese Ionen gelangen von der Kathode zur Anode, wo sie sich mit Wasserstoff zu Wasser, Kohlendioxid und freien Elektronen verbinden. Diese Elektronen werden über einen externen Stromkreis zurück zur Kathode geleitet und erzeugen als Nebenprodukt elektrischen Strom und Wärme.

Reaktion an der Anode: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktion an der Kathode: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Allgemeine Reaktion des Elements: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (Kathode) => H 2 O (g) + CO 2 (Anode)

Die hohen Betriebstemperaturen von Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt haben bestimmte Vorteile. Bei hohen Temperaturen wird Erdgas intern reformiert, wodurch ein Brennstoffprozessor überflüssig wird. Zu den Vorteilen gehört außerdem die Möglichkeit, Standard-Konstruktionsmaterialien wie Edelstahlblech und einen Nickel-Katalysator auf den Elektroden zu verwenden. Die Abwärme kann genutzt werden, um Hochdruckdampf für eine Vielzahl von industriellen und kommerziellen Zwecken zu erzeugen.

Auch hohe Reaktionstemperaturen im Elektrolyten haben Vorteile. Die Verwendung hoher Temperaturen benötigt lange, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von Brennstoffzellenanlagen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt unter konstanten Leistungsbedingungen. Hohe Temperaturen verhindern Kohlenmonoxidschäden an der Brennstoffzelle, „Vergiftungen“ etc.

Brennstoffzellen mit Schmelzkarbonat-Elektrolyt eignen sich für den Einsatz in großen stationären Anlagen. Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Leistung von 2,8 MW werden industriell hergestellt. Es werden Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW entwickelt.

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (FCTE)

Phosphor-(Orthophosphor-)Säure-Brennstoffzellen waren die ersten Brennstoffzellen für den kommerziellen Einsatz. Dieses Verfahren wurde Mitte der 1960er Jahre entwickelt und seit den 1970er Jahren erprobt. Seitdem wurde die Stabilität erhöht, die Leistung reduziert und die Kosten gesenkt.

Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) verwenden einen Elektrolyten auf Basis von Phosphorsäure (H 3 PO 4) mit einer Konzentration von bis zu 100 %. Die Ionenleitfähigkeit von Phosphorsäure ist bei tiefen Temperaturen gering, weshalb diese Brennstoffzellen bei Temperaturen bis 150–220 °C eingesetzt werden.

Der Ladungsträger in diesem Brennstoffzellentyp ist Wasserstoff (H +, Proton). Ein ähnlicher Vorgang läuft in Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (MOPTE) ab, bei der der der Anode zugeführte Wasserstoff in Protonen und Elektronen getrennt wird. Protonen wandern durch den Elektrolyten und verbinden sich mit Sauerstoff aus der Luft an der Kathode zu Wasser. Elektronen werden durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Unten sind die Reaktionen, die Strom und Wärme erzeugen.

Reaktion an der Anode: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Allgemeine Reaktion des Elements: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) liegt bei über 40 % bei der Erzeugung elektrischer Energie. Bei Kraft-Wärme-Kopplung liegt der Gesamtwirkungsgrad bei rund 85 %. Darüber hinaus kann die Abwärme bei den Betriebstemperaturen zur Wassererwärmung und zur Dampferzeugung bei Atmosphärendruck genutzt werden.

Die hohe Leistungsfähigkeit von Heizkraftwerken mit Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom ist einer der Vorteile dieses Brennstoffzellentyps. Die Anlagen verwenden Kohlenmonoxid mit einer Konzentration von ca. 1,5 %, was die Brennstoffauswahl deutlich erweitert. Außerdem beeinträchtigt CO 2 den Elektrolyten und den Betrieb der Brennstoffzelle nicht, dieser Zellentyp arbeitet mit reformiertem Naturbrennstoff. Einfache Bauweise, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls Vorteile dieses Brennstoffzellentyps.

Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Ausgangsleistung von bis zu 400 kW werden industriell hergestellt. Die 11 MW-Blöcke wurden entsprechend getestet. Es werden Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW entwickelt.

Membran-Protonenaustausch-Brennstoffzellen (MOPTE)

Membranbrennstoffzellen gelten als der beste Brennstoffzellentyp zur Erzeugung von Fahrzeugstrom, der Benzin- und Dieselverbrennungsmotoren ersetzen kann. Diese Brennstoffzellen wurden erstmals von der NASA für das Gemini-Programm eingesetzt. Heute werden MOPTE-Geräte mit einer Leistung von 1 W bis 2 kW entwickelt und vorgeführt.

Diese Brennstoffzellen verwenden als Elektrolyt eine feste Polymermembran (dünne Kunststofffolie). Mit Wasser imprägniert lässt dieses Polymer Protonen durch, leitet aber keine Elektronen.

Der Brennstoff ist Wasserstoff und der Ladungsträger ist ein Wasserstoffion (Proton). An der Anode wird ein Wasserstoffmolekül in ein Wasserstoffion (Proton) und Elektronen gespalten. Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten zur Kathode, während sich Elektronen im äußeren Kreis bewegen und elektrische Energie erzeugen. Sauerstoff, der der Luft entnommen wird, wird der Kathode zugeführt und verbindet sich mit Elektronen und Wasserstoffionen zu Wasser. An den Elektroden treten folgende Reaktionen auf:

Reaktion an der Anode: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Allgemeine Reaktion des Elements: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Im Vergleich zu anderen Arten von Brennstoffzellen erzeugen Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran mehr Energie für ein gegebenes Volumen oder Gewicht der Brennstoffzelle. Diese Funktion ermöglicht es ihnen, kompakt und leicht zu sein. Zudem liegt die Betriebstemperatur unter 100 °C, was eine schnelle Inbetriebnahme ermöglicht. Diese Eigenschaften sowie die Fähigkeit, die Energieabgabe schnell zu ändern, sind nur einige der Merkmale, die diese Brennstoffzellen zu einem erstklassigen Kandidaten für den Einsatz in Fahrzeugen machen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Elektrolyt eine feste und keine flüssige Substanz ist. Mit einem Festelektrolyten ist es einfacher, Gase an der Kathode und Anode zu halten, und daher sind solche Brennstoffzellen billiger herzustellen. Im Vergleich zu anderen Elektrolyten gibt es bei der Verwendung eines Festelektrolyten keine Schwierigkeiten wie Orientierung, es gibt weniger Probleme durch Korrosion, was zu einer längeren Lebensdauer der Zelle und ihrer Komponenten führt.

Festoxidbrennstoffzellen (SOFC)

Festoxidbrennstoffzellen sind die Brennstoffzellen mit der höchsten Betriebstemperatur. Die Betriebstemperatur kann von 600 °C bis 1000 °C variiert werden, wodurch unterschiedliche Kraftstoffarten ohne spezielle Vorbehandlung verwendet werden können. Um derartig hohen Temperaturen standzuhalten, wird als Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis verwendet, oft eine Legierung aus Yttrium und Zirkonium, das ein Leiter von Sauerstoffionen (O 2 -) ist. Die Technologie der Verwendung von Festoxidbrennstoffzellen hat sich seit den späten 1950er Jahren entwickelt. und hat zwei Konfigurationen: planar und röhrenförmig.

Festelektrolyt sorgt für einen hermetisch abgedichteten Gasübergang von einer Elektrode zur anderen, während sich Flüssigelektrolyte in einem porösen Substrat befinden. Der Ladungsträger in dieser Art von Brennstoffzelle ist ein Sauerstoffion (O 2 -). An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle aus der Luft in ein Sauerstoffion und vier Elektronen getrennt. Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Wasserstoff zu vier freien Elektronen. Elektronen werden durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch elektrischer Strom und Abwärme erzeugt werden.

Reaktion an der Anode: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Allgemeine Reaktion des Elements: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Der Wirkungsgrad der erzeugten elektrischen Energie ist der höchste aller Brennstoffzellen – ca. 60 %. Darüber hinaus ermöglichen die hohen Betriebstemperaturen die Kraft-Wärme-Kopplung zur Erzeugung von Hochdruckdampf. Die Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Turbine ermöglicht die Schaffung einer Hybrid-Brennstoffzelle, um den Wirkungsgrad der Stromerzeugung um bis zu 70 % zu steigern.

Festoxidbrennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (600 °C – 1000 °C), was lange dauert, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Bei solch hohen Betriebstemperaturen ist kein Konverter erforderlich, um Wasserstoff aus dem Brennstoff zurückzugewinnen, was es dem Wärmekraftwerk ermöglicht, mit relativ unreinen Brennstoffen zu arbeiten, die aus der Vergasung von Kohle oder Abgasen und dergleichen resultieren. Außerdem eignet sich diese Brennstoffzelle hervorragend für den Hochleistungsbetrieb, einschließlich industrieller und großer zentraler Kraftwerke. Kommerziell werden Module mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 100 kW hergestellt.

Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation (POMTE)

Die Technologie des Einsatzes von Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation befindet sich in einer aktiven Entwicklungsphase. Es hat sich erfolgreich im Bereich der Stromversorgung von Mobiltelefonen, Laptops sowie der Erstellung tragbarer Stromquellen etabliert. worauf die zukünftige Verwendung dieser Elemente abzielt.

Der Aufbau von Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation ähnelt Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (MOPTE), d.h. Als Elektrolyt wird ein Polymer und als Ladungsträger ein Wasserstoffion (Proton) verwendet. Flüssiges Methanol (CH 3 OH) wird jedoch in Gegenwart von Wasser an der Anode unter Freisetzung von CO 2 , Wasserstoffionen und Elektronen oxidiert, die über einen externen Stromkreis geleitet werden, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Wasserstoffionen passieren den Elektrolyten und reagieren mit Sauerstoff aus der Luft und Elektronen aus dem externen Kreislauf zu Wasser an der Anode.

Reaktion an der Anode: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktion an der Kathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Allgemeine Reaktion des Elements: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Die Entwicklung dieser Brennstoffzellen begann Anfang der 1990er Jahre. Durch die Entwicklung verbesserter Katalysatoren und anderer neuerer Innovationen konnten Leistungsdichte und Effizienz auf 40 % gesteigert werden.

Diese Elemente wurden in einem Temperaturbereich von 50-120°C getestet. Mit ihren niedrigen Betriebstemperaturen und dem Verzicht auf einen Konverter sind Direkt-Methanol-Brennstoffzellen der beste Kandidat für Anwendungen sowohl in Mobiltelefonen als auch in anderen Konsumgüter- und Automobilmotoren. Der Vorteil dieser Art von Brennstoffzelle ist ihre geringe Größe aufgrund der Verwendung von flüssigem Brennstoff und das Fehlen eines Konverters.

Alkalische Brennstoffzellen (SHFC)

Alkalische Brennstoffzellen (ALFCs) sind eine der am besten untersuchten Technologien und werden seit Mitte der 1960er Jahre verwendet. von der NASA in den Programmen Apollo und Space Shuttle. An Bord dieser Raumschiffe produzieren Brennstoffzellen Strom und Trinkwasser. Alkalische Brennstoffzellen sind mit einem Wirkungsgrad von bis zu 70 % eines der effizientesten Elemente zur Stromerzeugung.

Alkalische Brennstoffzellen verwenden einen Elektrolyten, dh eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid, die in einer porösen stabilisierten Matrix enthalten ist. Die Konzentration von Kaliumhydroxid kann je nach Betriebstemperatur der Brennstoffzelle variieren, die von 65 °C bis 220 °C reicht. Der Ladungsträger in SHFC ist ein Hydroxylion (OH -), das von der Kathode zur Anode wandert, wo es mit Wasserstoff reagiert und dabei Wasser und Elektronen erzeugt. Das an der Anode erzeugte Wasser gelangt zurück zur Kathode und erzeugt dort wieder Hydroxylionen. Diese Abfolge von Reaktionen in der Brennstoffzelle erzeugt Strom und als Nebenprodukt Wärme:

Reaktion an der Anode: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktion an der Kathode: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Allgemeine Reaktion des Systems: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Der Vorteil von SHFCs besteht darin, dass diese Brennstoffzellen am billigsten herzustellen sind, da der Katalysator, der auf den Elektroden benötigt wird, alle Substanzen sein kann, die billiger sind als die, die als Katalysatoren für andere Brennstoffzellen verwendet werden. Darüber hinaus arbeiten SHFCs bei einer relativ niedrigen Temperatur und sind eine der effizientesten Brennstoffzellen – solche Eigenschaften können dementsprechend zur Beschleunigung der Stromerzeugung und einer hohen Kraftstoffeffizienz beitragen.

Eines der charakteristischen Merkmale von SHFC ist seine hohe Empfindlichkeit gegenüber CO 2 , das in Kraftstoff oder Luft enthalten sein kann. CO 2 reagiert mit dem Elektrolyten, vergiftet diesen schnell und reduziert den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark. Daher ist der Einsatz von SHTE auf geschlossene Räume wie Weltraum- und Unterwasserfahrzeuge beschränkt, sie müssen mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden. Darüber hinaus sind Moleküle wie CO, H 2 O und CH 4, die für andere Brennstoffzellen sicher sind und für einige sogar Brennstoff sind, für SHFCs schädlich.

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PETE)

Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen die Leitfähigkeit von Wasserionen H 2 O + (Proton, rot) an das Wassermolekül gebunden ist. Wassermoleküle stellen aufgrund ihres langsamen Ionenaustauschs ein Problem dar. Daher ist sowohl im Brennstoff als auch an den Austrittselektroden eine hohe Wasserkonzentration erforderlich, die die Betriebstemperatur auf 100 °C begrenzt.

Festsäurebrennstoffzellen (TKTE)

In Festsäure-Brennstoffzellen enthält der Elektrolyt (C s HSO 4) kein Wasser. Die Betriebstemperatur beträgt daher 100-300°C. Durch die Rotation der Oxyanionen SO 4 2- können sich die Protonen (rot) wie in der Abbildung gezeigt bewegen. Typischerweise ist eine Festsäure-Brennstoffzelle ein Sandwich, bei dem eine sehr dünne Schicht einer Festsäure-Verbindung zwischen zwei fest zusammengedrückten Elektroden sandwichartig angeordnet ist, um einen guten Kontakt zu gewährleisten. Beim Erhitzen verdampft die organische Komponente und verlässt die Poren in den Elektroden, wobei die Fähigkeit zu Mehrfachkontakten zwischen dem Brennstoff (oder Sauerstoff am anderen Ende der Zellen), dem Elektrolyten und den Elektroden erhalten bleibt.

Der traditionelle Verbrennungsmotor (ICE) hat eine Reihe von erheblichen Nachteilen, weshalb Wissenschaftler nach einem würdigen Ersatz dafür suchen. Die beliebteste Option für eine solche Alternative ist der Elektromotor, aber nicht die einzige, die mit dem Verbrennungsmotor konkurrieren kann. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Wasserstoffmotor, der zu Recht als die Zukunft der Automobilindustrie gilt und das Problem der schädlichen Emissionen und der hohen Kraftstoffkosten lösen kann.

Kurzgeschichte

Obwohl der Umweltschutz erst jetzt zu einem Massenproblem geworden ist, haben Wissenschaftler schon früher darüber nachgedacht, den serienmäßigen Verbrennungsmotor zu ändern. So „sah“ bereits 1806 ein wasserstoffbetriebener Motor die Welt, der vom französischen Erfinder François Isaac de Rivaz ermöglicht wurde (er stellte Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser her).

Mehrere Jahrzehnte vergingen, und das erste Patent für einen Wasserstoffmotor wurde in England (1841) erteilt, und 1852 entwickelten deutsche Wissenschaftler einen Verbrennungsmotor, der mit einem Luft-Wasserstoff-Gemisch betrieben werden konnte.

Wenig später, während der Belagerung Leningrads, als Benzin knapp wurde und Wasserstoff in großen Mengen zur Verfügung stand, schlug der Techniker Boris Shelishch vor, ein Luft-Wasserstoff-Gemisch für den Betrieb von Sperrballons zu verwenden. Danach wurden alle ICEs der Aerostatwinden auf Wasserstoffantrieb umgestellt und die Gesamtzahl der wasserstoffbetriebenen Maschinen erreichte 600 Einheiten.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts war das öffentliche Interesse an Wasserstoffmotoren gering, aber mit dem Aufkommen der Kraftstoff- und Energiekrise der 70er Jahre änderte sich die Situation dramatisch. Insbesondere produzierte BMW 1879 das erste Auto, das mit Wasserstoff recht erfolgreich war (ohne Explosionen und Wasserdampfaustritt aus dem Auspuff).

Nach BMW begannen andere große Autohersteller, in diese Richtung zu arbeiten, und Ende des letzten Jahrhunderts hatte fast jeder Autokonzern mit Selbstachtung bereits das Konzept, ein Auto mit Wasserstoffkraftstoff zu entwickeln. Mit dem Ende der Ölkrise ist das öffentliche Interesse an alternativen Kraftstoffquellen jedoch verschwunden, obwohl es heute wieder erwacht, angetrieben von Umweltschützern, die für die Verringerung der Giftigkeit von Autoabgasen kämpfen.

Darüber hinaus tragen die Energiepreise und der Wunsch nach Brennstoffunabhängigkeit nur dazu bei, dass Wissenschaftler aus vielen Ländern der Welt theoretische und praktische Forschung betreiben. Die aktivsten sind BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Interessante Tatsache! Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum, aber es wird sehr schwierig sein, ihn in seiner reinen Form auf unserem Planeten zu finden.

Funktionsprinzip und Typen eines Wasserstoffmotors

Der Hauptunterschied zwischen einer Wasserstoffanlage und herkömmlichen Motoren besteht in der Art der Zufuhr einer Brennstoffflüssigkeit und der anschließenden Zündung des Arbeitsgemisches. Dabei bleibt das Prinzip der Umwandlung der Hubbewegungen des Kurbeltriebs in Nutzarbeit unverändert. Da die Verbrennung von Heizöl eher langsam abläuft, füllt das Kraftstoff-Luft-Gemisch den Brennraum, bevor der Kolben seine oberste Position (den sogenannten oberen Totpunkt) einnimmt.

Die schnelle Reaktion des Wasserstoffs ermöglicht es, den Einspritzzeitpunkt näher an den Zeitpunkt zu verschieben, an dem der Kolben beginnt, in den unteren Totpunkt zurückzukehren. Es ist zu beachten, dass der Druck im Kraftstoffsystem nicht unbedingt hoch sein wird.

Werden für einen Wasserstoffmotor ideale Betriebsbedingungen geschaffen, so kann dieser über ein geschlossenes Kraftstoffversorgungssystem verfügen, wenn die Gemischbildung ohne Beteiligung von atmosphärischen Luftströmungen erfolgt. In diesem Fall verbleibt nach dem Verdichtungstakt Wasserdampf in der Brennkammer, der durch den Kühler kondensiert und wieder zu gewöhnlichem Wasser wird.

Die Verwendung dieser Art von Vorrichtung ist jedoch nur möglich, wenn das Fahrzeug über einen Elektrolyseur verfügt, der Wasserstoff aus Wasser für seine erneute Reaktion mit Sauerstoff trennt. Im Moment ist es äußerst schwierig, solche Ergebnisse zu erzielen. Es wird für einen stabilen Betrieb des Motors verwendet und seine Dämpfe sind Teil der Abgase.

Daher ist ein störungsfreier Start des Kraftwerks und sein stabiler Betrieb mit Knallgas ohne Einsatz von atmosphärischer Luft bisher eine unmögliche Aufgabe. Es gibt zwei Varianten von automobilen Wasserstoffanlagen:auf der Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebene Einheiten und Wasserstoff-Verbrennungsmotoren.

Kraftwerke auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen basiert auf physikalischen und chemischen Reaktionen. Tatsächlich sind dies die gleichen Bleiakkumulatoren, nur der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist etwas höher als der der Batterie und beträgt etwa 45% (manchmal mehr).

Im Körper der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist eine Membran platziert (sie leitet nur Protonen), die die Kammer mit der Anode und die Kammer mit der Kathode trennt. Wasserstoff tritt mit der Anode in die Kammer ein und Sauerstoff tritt in die Kathodenkammer ein. Jede Elektrode wird vorab mit einer Katalysatorschicht bedeckt, die oft von Platin bespielt wird. Wenn molekularer Wasserstoff ihm ausgesetzt ist, beginnt er, Elektronen zu verlieren.

Gleichzeitig gelangen Protonen durch die Membran zur Kathode und verbinden sich unter dem Einfluss desselben Katalysators mit von außen kommenden Elektronen. Als Ergebnis der Reaktion wird Wasser gebildet und Elektronen aus dem Anodenraum wandern in einen mit dem Motor verbundenen Stromkreis. Einfach ausgedrückt erhalten wir einen elektrischen Strom, der den Motor antreibt.

Wasserstoffmotoren auf Basis von Brennstoffzellen werden heute in Niva-Fahrzeugen mit Antel-1-Kraftwerk und Lada 111-Fahrzeugen mit Antel-2-Einheit verwendet, die von Ural-Ingenieuren entwickelt wurden. Im ersten Fall reicht eine Ladung für 200 km und im zweiten für 350 km.

Es sollte beachtet werden, dass solche Installationen aufgrund der hohen Kosten für Metalle (Palladium und Platin), die in der Konstruktion solcher Wasserstoffmotoren enthalten sind, sehr hohe Kosten haben, was den Preis des Fahrzeugs, in dem sie installiert sind, erheblich erhöht.

Wissen Sie?Toyota begann vor 20 Jahren mit der Brennstoffzellentechnologie zu arbeiten. Zu dieser Zeit wurde das Hybridprojekt Prius ins Leben gerufen.

Wasserstoff-Verbrennungsmotoren

Dieser Kraftwerkstyp ist den heute üblichen Propan-Motoren sehr ähnlich, daher reicht es aus, um von Propan- auf Wasserstoff-Kraftstoff umzustellen, den Motor einfach umzukonfigurieren. Beispiele für einen solchen Übergang gibt es bereits viele, allerdings muss man sagen, dass in diesem Fall der Wirkungsgrad etwas geringer ausfallen wird als beim Einsatz von Brennstoffzellen. Gleichzeitig wird zur Gewinnung von 1 kW Wasserstoffenergie weniger benötigt, was diesen Nachteil vollständig ausgleicht.

Die Verwendung dieser Substanz in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor verursacht eine Reihe von Problemen. Erstens, die hohe Kompressionstemperatur "zwingt" den Wasserstoff, mit den Metallteilen des Motors oder sogar dem Motoröl zu reagieren. Zweitens, selbst ein kleines Leck bei Kontakt mit einem heißen Auspuffkrümmer führt definitiv zu einem Brand.

Aus diesem Grund werden zur Herstellung von Wasserstoffstrukturen ausschließlich Drehstromaggregate verwendet, da deren Konstruktion die Brandgefahr durch den Abstand zwischen Ansaug- und Abgaskrümmern reduziert. Jedenfalls wurden bisher alle Probleme umgangen, was es möglich macht, Wasserstoff als recht vielversprechenden Kraftstoff zu betrachten.

Ein gutes Beispiel für ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug ist die experimentelle BMW 750hL Limousine, deren Konzept bereits Anfang der 2000er Jahre vorgestellt wurde. Das Auto ist mit einem Zwölfzylinder-Raketenmotor ausgestattet, der es dem Auto ermöglicht, auf 140 km / h zu beschleunigen. In einem speziellen Tank wird Wasserstoff in flüssiger Form gespeichert, eine seiner Reserven reicht für 300 Kilometer. Ist dieser vollständig verbraucht, schaltet das System automatisch auf Benzinbetrieb um.

Wasserstoffmotor heute auf dem Markt

Neuere Forschungen von Wissenschaftlern auf dem Gebiet des Betriebs von Wasserstoffmotoren haben gezeigt, dass diese nicht nur sehr umweltfreundlich sind (wie Elektromotoren), sondern auch sehr effizient in Bezug auf die Leistung sein können. Darüber hinaus umgehen Wasserstoffkraftwerke in Bezug auf technische Indikatoren ihre bereits bewährten elektrischen Pendants (z. B. Honda Clarity).

Ebenfalls Es sollte beachtet werden, dass Wasserstoffanaloga im Gegensatz zu Tesla Powerwall-Systemen einen wesentlichen Nachteil haben: Es wird nicht mehr möglich sein, die Batterie mit Hilfe von Solarenergie aufzuladen, sondern man muss sich eine spezielle Tankstelle suchen, von der es heute auch weltweit nicht mehr so ​​viele gibt.

Jetzt ist der Honda Clarity in einer ziemlich limitierten Auflage erschienen, und Sie können ein Auto nur im Land der aufgehenden Sonne kaufen, da das Fahrzeug erst Ende 2016 in Europa und Amerika erscheinen wird.

Interessant zu wissen!Die Lichtmaschine Power Exporter 9000 (optional beim Honda Clarity) kann fast eine Woche lang alle Haushaltsgeräte mit Strom versorgen.

Auch in unserer Zeit werden andere Fahrzeuge hergestellt, die Wasserstoffkraftstoff verwenden. Dazu gehören der Mazda RX-8 Wasserstoff und BMW Hydrogen 7 (Hybride, die mit flüssigem Wasserstoff und Benzin betrieben werden) sowie der Ford E-450 und der MAN Lion City Bus.

Unter den Personenkraftwagen sind heute Automobile die prominentesten Vertreter von Wasserstofffahrzeugen. Mercedes-Benz GLC F-Cell(es besteht die Möglichkeit des Aufladens über ein normales Haushaltsnetz und die gesamte Gangreserve beträgt ca. 500 km), Toyota Mirai(er läuft nur mit Wasserstoff, und ein Tanken sollte für 650 km reichen) und Honda fcx Klarheit(die angegebene Reichweite beträgt 700 km). Aber das ist noch nicht alles, denn wasserstoffbetriebene Fahrzeuge werden auch von anderen Firmen produziert, zum Beispiel von Hyundai (Tucson FCEV).

Vor- und Hauptnachteile von Wasserstoffmotoren

Bei all seinen Vorteilen kann man nicht sagen, dass der Wasserstofftransport frei von gewissen Nachteilen ist. Insbesondere sollte klar sein, dass die brennbare Form von Wasserstoff bei Raumtemperatur und Normaldruck in Form eines Gases vorliegt, was gewisse Schwierigkeiten bei der Lagerung und dem Transport eines solchen Brennstoffs verursacht. Das heißt, es gibt ein ernstes Problem bei der Konstruktion sicherer Reservoirs für Wasserstoff, der als Kraftstoff für Autos verwendet wird.

Darüber hinaus erfordern Flaschen mit diesem Stoff eine regelmäßige Inspektion und Zertifizierung, die nur von qualifiziertem und lizenziertem Personal durchgeführt werden kann. Zu diesen Problemen sind auch die hohen Kosten für die Wartung eines Wasserstoffmotors hinzuzufügen, ganz zu schweigen von einer sehr begrenzten Anzahl von Tankstellen (zumindest in unserem Land).

Vergessen Sie nicht, dass die Wasserstoffinstallation das Gewicht des Autos erhöht, weshalb es möglicherweise nicht so wendig ist, wie Sie es sich wünschen. Überlegen Sie sich daher unter Berücksichtigung all der oben genannten Punkte sorgfältig: Lohnt sich der Kauf eines Wasserstofffahrzeugs oder ist es besser, ihn vorerst zu verschieben.

Es muss jedoch gesagt werden, dass eine solche Lösung viele Vorteile hat. Erstens Ihr Auto wird die Umwelt nicht mit giftigen Abgasen belasten, Zweitens, kann die Massenproduktion von Wasserstoff dazu beitragen, das Problem der sich schnell ändernden Kraftstoffpreise und Versorgungsunterbrechungen bei herkömmlichen Kraftstoffflüssigkeiten zu lösen.

Darüber hinaus wurden in vielen Ländern bereits Methanpipelines gebaut, die sich problemlos für die Förderung von Wasserstoff mit anschließender Lieferung an Tankstellen umrüsten lassen. Wasserstoff kann sowohl in kleinem Maßstab, also auf lokaler Ebene, als auch in großen Mengen in großen, zentralisierten Unternehmen produziert werden. Die Steigerung der Wasserstoffproduktion wird als zusätzlicher Anreiz für eine Erhöhung des Angebots dieses Stoffes für Haushaltszwecke (zB zum Heizen von Wohnungen und Büros) dienen.

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

Reis. 1. Einige Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie des Brennstoffs in Strom um und umgehen dabei ineffektive Verbrennungsprozesse mit großen Verlusten. Sie wandeln durch eine chemische Reaktion Wasserstoff und Sauerstoff in Strom um. Als Ergebnis dieses Prozesses wird Wasser gebildet und eine große Menge Wärme freigesetzt. Eine Brennstoffzelle ist einer Batterie sehr ähnlich, die geladen und dann mit gespeicherter elektrischer Energie verbraucht werden kann. Als Erfinder der Brennstoffzelle gilt William R. Grove, der sie bereits 1839 erfunden hat. In dieser Brennstoffzelle wurde als Elektrolyt eine Schwefelsäurelösung und als Brennstoff Wasserstoff verwendet, der mit Sauerstoff in einem oxidierenden Medium kombiniert wurde. Bis vor kurzem wurden Brennstoffzellen nur in Labors und auf Raumfahrzeugen eingesetzt.

Reis. 2.

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

Brennstoffzellen sind hocheffizient und produzieren keine großen Mengen an Treibhausgasen wie Kohlendioxid, Methan und Stickoxid. Die einzigen Emissionen von Brennstoffzellen sind Wasser in Form von Wasserdampf und eine geringe Menge Kohlendioxid, das bei Verwendung von reinem Wasserstoff als Brennstoff überhaupt nicht emittiert wird. Brennstoffzellen werden zu Baugruppen und dann zu separaten Funktionsmodulen zusammengebaut.

Brennstoffzellen haben keine beweglichen Teile (zumindest innerhalb der Zelle selbst) und gehorchen daher nicht dem Carnotschen Gesetz. Das heißt, sie haben einen Wirkungsgrad von mehr als 50 % und sind besonders effektiv bei niedrigen Lasten. Damit können (und haben sich bereits erwiesen) Brennstoffzellenfahrzeuge im realen Fahrbetrieb wirtschaftlicher als konventionelle Fahrzeuge.

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

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

Einige Brennstoffzellentypen sind vielversprechend für den Einsatz als Kraftwerke für Kraftwerke, andere für tragbare Geräte oder zum Autofahren.

1. Alkalische Brennstoffzellen (SHFC)

Alkalische Brennstoffzelle- Dies ist eines der allerersten Elemente, die entwickelt wurden. Alkalische Brennstoffzellen (ALFC) sind eine der am besten untersuchten Technologien, die die NASA seit Mitte der 1960er Jahre in den Apollo- und Space-Shuttle-Programmen verwendet. An Bord dieser Raumschiffe produzieren Brennstoffzellen Strom und Trinkwasser.

Reis. 3.

Alkalische Brennstoffzellen sind mit einem Wirkungsgrad von bis zu 70 % eines der effizientesten Elemente zur Stromerzeugung.

Alkalische Brennstoffzellen verwenden einen Elektrolyten, dh eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid, die in einer porösen stabilisierten Matrix enthalten ist. Die Konzentration von Kaliumhydroxid kann je nach Betriebstemperatur der Brennstoffzelle variieren, die von 65 °C bis 220 °C reicht. Der Ladungsträger in SHFC ist ein Hydroxyl-Ion (OH-), das von der Kathode zur Anode wandert, wo es mit Wasserstoff reagiert und Wasser und Elektronen produziert. Das an der Anode erzeugte Wasser gelangt zurück zur Kathode und erzeugt dort wieder Hydroxylionen. Diese Abfolge von Reaktionen in der Brennstoffzelle erzeugt Strom und als Nebenprodukt Wärme:

Reaktion an der Anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Kathodenreaktion: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Allgemeine Systemantwort: 2H2 + O2 => 2H2O

Der Vorteil von SHFCs besteht darin, dass diese Brennstoffzellen am billigsten in der Herstellung sind, da der Katalysator, der auf den Elektroden benötigt wird, alle Substanzen sein können, die billiger sind als diejenigen, die als Katalysatoren für andere Brennstoffzellen verwendet werden. Darüber hinaus arbeiten SCHEs bei einer relativ niedrigen Temperatur und gehören zu den effizientesten.

Eines der charakteristischen Merkmale von SHFC ist seine hohe Empfindlichkeit gegenüber CO2, das in Kraftstoff oder Luft enthalten sein kann. CO2 reagiert mit dem Elektrolyten, vergiftet ihn schnell und reduziert den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark. Daher ist der Einsatz von SHTE auf geschlossene Räume wie Weltraum- und Unterwasserfahrzeuge beschränkt, sie arbeiten mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff.

2. Brennstoffzellen auf Basis von Schmelzkarbonat (RKTE)

Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht die direkte Nutzung von Erdgas ohne Prozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert in Produktionsprozessbrennstoffen und aus anderen Quellen. Dieses Verfahren wurde Mitte der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts entwickelt. Seitdem wurden Produktionstechnologie, Leistung und Zuverlässigkeit verbessert.

Reis. 4.

Der Betrieb von RKTE unterscheidet sich von anderen Brennstoffzellen. Diese Zellen verwenden einen Elektrolyten aus einer Mischung von geschmolzenen Karbonatsalzen. Derzeit sind zwei Arten von Mischungen im Einsatz: Lithiumcarbonat und Kaliumcarbonat oder Lithiumcarbonat und Natriumcarbonat. Um Karbonatsalze aufzuschmelzen und eine hohe Ionenbeweglichkeit im Elektrolyten zu erreichen, arbeiten Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt bei hohen Temperaturen (650 °C). Der Wirkungsgrad variiert zwischen 60-80%.

Beim Erhitzen auf 650 ° C werden die Salze zu einem Leiter für Karbonationen (CO32-). Diese Ionen wandern von der Kathode zur Anode, wo sie sich mit Wasserstoff zu Wasser, Kohlendioxid und freien Elektronen verbinden. Diese Elektronen werden über einen externen Stromkreis zurück zur Kathode geleitet und erzeugen als Nebenprodukt elektrischen Strom und Wärme.

Anodenreaktion: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Kathodenreaktion: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

Allgemeine Reaktion des Elements: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (Kathode) => H2O (g) + CO2 (Anode)

Die hohen Betriebstemperaturen von Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt haben bestimmte Vorteile. Der Vorteil ist die Möglichkeit, Standardmaterialien (Edelstahlblech und Nickelkatalysator an den Elektroden) zu verwenden. Die Abwärme kann zur Erzeugung von Hochdruckdampf genutzt werden. Auch hohe Reaktionstemperaturen im Elektrolyten haben Vorteile. Die Verwendung hoher Temperaturen benötigt lange, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von Brennstoffzellenanlagen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt unter konstanten Leistungsbedingungen. Hohe Temperaturen verhindern Kohlenmonoxidschäden an der Brennstoffzelle, Vergiftungen etc.

Brennstoffzellen mit Schmelzkarbonat-Elektrolyt eignen sich für den Einsatz in großen stationären Anlagen. Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Leistung von 2,8 MW werden industriell hergestellt. Es werden Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW entwickelt.

3. Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (FCTE)

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

Reis. 5.

Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) verwenden einen Elektrolyten auf Basis von Phosphorsäure (H3PO4) mit einer Konzentration von bis zu 100 %. Die Ionenleitfähigkeit von Phosphorsäure ist bei niedrigen Temperaturen gering, daher werden diese Brennstoffzellen bei Temperaturen bis 150-220 ° C eingesetzt.

Der Ladungsträger in diesem Brennstoffzellentyp ist Wasserstoff (H +, Proton). Ein ähnlicher Vorgang läuft in Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (MOPTE) ab, bei der der der Anode zugeführte Wasserstoff in Protonen und Elektronen getrennt wird. Protonen wandern durch den Elektrolyten und verbinden sich mit Sauerstoff aus der Luft an der Kathode zu Wasser. Elektronen werden durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Unten sind die Reaktionen, die Strom und Wärme erzeugen.

Reaktion an der Anode: 2H2 => 4H + + 4e

Kathodenreaktion: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O

Allgemeine Reaktion des Elements: 2H2 + O2 => 2H2O

Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) liegt bei über 40 % bei der Erzeugung elektrischer Energie. Bei Kraft-Wärme-Kopplung liegt der Gesamtwirkungsgrad bei rund 85 %. Darüber hinaus kann die Abwärme bei den Betriebstemperaturen zur Wassererwärmung und zur Dampferzeugung bei Atmosphärendruck genutzt werden.

Die hohe Leistungsfähigkeit von Heizkraftwerken mit Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom ist einer der Vorteile dieses Brennstoffzellentyps. Die Anlagen verwenden Kohlenmonoxid mit einer Konzentration von ca. 1,5 %, was die Brennstoffauswahl deutlich erweitert. Einfache Bauweise, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls Vorteile solcher Brennstoffzellen.

Thermische Kraftwerke mit einer elektrischen Ausgangsleistung von bis zu 400 kW werden industriell hergestellt. Entsprechend wurden Anlagen mit einer Leistung von 11 MW getestet. Es werden Anlagen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 MW entwickelt.

4. Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (MOPTE)

Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran gelten als die beste Art von Brennstoffzellen zur Stromerzeugung für Fahrzeuge, die Benzin- und Dieselverbrennungsmotoren ersetzen können. Diese Brennstoffzellen wurden erstmals von der NASA für das Gemini-Programm eingesetzt. Installationen auf MOPTE mit einer Leistung von 1W bis 2 kW wurden entwickelt und gezeigt.

Reis. 6.

Der Elektrolyt in diesen Brennstoffzellen ist eine feste Polymermembran (dünne Kunststofffolie). Mit Wasser imprägniert lässt dieses Polymer Protonen durch, leitet aber keine Elektronen.

Der Brennstoff ist Wasserstoff und der Ladungsträger ist ein Wasserstoffion (Proton). An der Anode wird ein Wasserstoffmolekül in ein Wasserstoffion (Proton) und Elektronen gespalten. Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten zur Kathode, während sich Elektronen im äußeren Kreis bewegen und elektrische Energie erzeugen. Sauerstoff, der der Luft entnommen wird, wird der Kathode zugeführt und verbindet sich mit Elektronen und Wasserstoffionen zu Wasser. An den Elektroden laufen folgende Reaktionen ab: Reaktion an der Anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reaktion an der Kathode: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Gesamtzellreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen, Brennstoffzellen Eine Protonenaustauschmembran erzeugt mehr Energie für ein gegebenes Volumen oder Gewicht einer Brennstoffzelle. Diese Funktion ermöglicht es ihnen, kompakt und leicht zu sein. Darüber hinaus beträgt die Betriebstemperatur weniger als 100 ° C, was eine schnelle Inbetriebnahme ermöglicht. Diese Eigenschaften sowie die Fähigkeit, die Energieabgabe schnell zu ändern, sind nur einige der Gründe, die diese Brennstoffzellen zu einem erstklassigen Kandidaten für den Einsatz in Fahrzeugen machen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Elektrolyt fest und nicht flüssig ist. Mit einem Festelektrolyten ist es einfacher, Gase an Kathode und Anode zu halten, daher sind solche Brennstoffzellen billiger in der Herstellung. Bei der Verwendung eines Festelektrolyten gibt es keine Orientierungsschwierigkeiten und weniger Probleme durch Korrosion, was die Lebensdauer der Zelle und ihrer Komponenten erhöht.

Reis. 7.

5. Festoxidbrennstoffzellen (SOFC)

Festoxidbrennstoffzellen sind die Brennstoffzellen mit der höchsten Betriebstemperatur. Die Betriebstemperatur kann von 600 °C bis 1000 °C variiert werden, wodurch unterschiedliche Kraftstoffarten ohne spezielle Vorbehandlung verwendet werden können. Um diesen hohen Temperaturen standzuhalten, wird als Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis verwendet, oft eine Legierung aus Yttrium und Zirkonium, das Sauerstoff (O2-) Ionen leitet. Die Technologie der Verwendung von Festoxid-Brennstoffzellen entwickelt sich seit den späten 1950er Jahren und hat zwei Konfigurationen: planar und röhrenförmig.

Festelektrolyt sorgt für einen hermetisch abgedichteten Gasübergang von einer Elektrode zur anderen, während sich Flüssigelektrolyte in einem porösen Substrat befinden. Der Ladungsträger dieser Brennstoffzelle ist ein Sauerstoffion (O2-). An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle aus der Luft in ein Sauerstoffion und vier Elektronen getrennt. Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Wasserstoff zu vier freien Elektronen. Elektronen werden durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch elektrischer Strom und Abwärme erzeugt werden.

Reis. acht.

Reaktion an der Anode: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Kathodenreaktion: O2 + 4e- => 2O2-

Allgemeine Reaktion des Elements: 2H2 + O2 => 2H2O

Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung ist der höchste aller Brennstoffzellen - etwa 60 %. Darüber hinaus ermöglichen die hohen Betriebstemperaturen die Kraft-Wärme-Kopplung zur Erzeugung von Hochdruckdampf. Die Kombination einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Turbine ermöglicht die Schaffung einer Hybrid-Brennstoffzelle, um den Wirkungsgrad der Stromerzeugung um bis zu 70 % zu steigern.

Festoxidbrennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (600°C-1000°C), was lange dauert, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Bei solch hohen Betriebstemperaturen ist kein Konverter erforderlich, um Wasserstoff aus dem Brennstoff zurückzugewinnen, was es dem Wärmekraftwerk ermöglicht, mit relativ unreinen Brennstoffen zu arbeiten, die aus der Vergasung von Kohle oder Abgasen und dergleichen resultieren. Außerdem eignet sich diese Brennstoffzelle hervorragend für den Hochleistungsbetrieb, einschließlich industrieller und großer zentraler Kraftwerke. Kommerziell werden Module mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 100 kW hergestellt.

6. Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation (POMTE)

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

Der Aufbau von Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation ähnelt dem Aufbau von Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (MOPTE), d.h. Als Elektrolyt wird ein Polymer und als Ladungsträger ein Wasserstoffion (Proton) verwendet. Aber flüssiges Methanol (CH3OH) wird in Gegenwart von Wasser an der Anode unter Freisetzung von CO2, Wasserstoffionen und Elektronen oxidiert, die entlang eines äußeren Stromkreises geleitet werden, während ein elektrischer Strom erzeugt wird. Wasserstoffionen passieren den Elektrolyten und reagieren mit Sauerstoff aus der Luft und Elektronen aus dem externen Kreislauf zu Wasser an der Anode.

Reaktion an der Anode: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reaktion an der Kathode: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Allgemeine Reaktion des Elements: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O Die Die Entwicklung solcher Brennstoffzellen wurde von Anfang an durchgeführt 90-x Jahre des 20. Jahrhunderts, und ihre Leistungsdichte und Effizienz wurden auf 40% erhöht.

Diese Elemente wurden in einem Temperaturbereich von 50-120°C getestet. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen und des fehlenden Umrichters sind solche Brennstoffzellen der beste Kandidat für Anwendungen in Mobiltelefonen und anderen Konsumgütern sowie in Automobilmotoren. Ihr Vorteil ist auch die geringe Größe.

7. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PETE)

Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen die Leitfähigkeit von Wasserionen besteht, an das Wassermolekül ist H2O + (Proton, rot) gebunden. Wassermoleküle stellen aufgrund ihres langsamen Ionenaustauschs ein Problem dar. Daher ist sowohl im Brennstoff als auch an den Austrittselektroden eine hohe Wasserkonzentration erforderlich, die die Betriebstemperatur auf 100 °C begrenzt.

8. Festsäurebrennstoffzellen (TKTE)

In Festsäure-Brennstoffzellen enthält der Elektrolyt (CsHSO4) kein Wasser. Die Betriebstemperatur beträgt daher 100-300°C. Rotation von Oxyanionen SO42-ermöglicht Protonen (rot), sich wie in der Abbildung gezeigt zu bewegen. Typischerweise ist eine Festsäure-Brennstoffzelle ein Sandwich, bei dem eine sehr dünne Schicht einer Festsäure-Verbindung zwischen zwei fest zusammengedrückten Elektroden sandwichartig angeordnet ist, um einen guten Kontakt zu gewährleisten. Beim Erhitzen verdampft die organische Komponente und verlässt die Poren in den Elektroden, wobei die Fähigkeit zu Mehrfachkontakten zwischen dem Brennstoff (oder Sauerstoff am anderen Ende der Zellen), dem Elektrolyten und den Elektroden erhalten bleibt.

Reis. neun.

9. Vergleich der wichtigsten Eigenschaften von Brennstoffzellen

Reis. zehn.

10. Einsatz von Brennstoffzellen in Autos

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Sir William Grove wusste viel über Elektrolyse, also stellte er die Hypothese auf, dass er durch einen Prozess (der Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, indem er Elektrizität durchlässt) produzieren könnte, wenn er umgekehrt durchgeführt wird. Nach dem Rechnen auf dem Papier ging er ins Experimentierstadium und konnte seine Ideen beweisen. Die bewährte Hypothese wurde von den Wissenschaftlern Ludwig Mond und seinem Assistenten Charles Langre entwickelt, die Technik verbessert und ihr 1889 einen Namen gegeben, der zwei Wörter beinhaltet – „Brennstoffzelle“.

Jetzt ist dieser Satz fest in den Alltag der Autofahrer eingezogen. Den Begriff „Brennstoffzelle“ haben Sie sicher schon öfter gehört. In den Nachrichten im Internet, im Fernsehen blitzen immer wieder neumodische Wörter auf. Sie beziehen sich normalerweise auf Geschichten über die neuesten Hybridfahrzeuge oder die Entwicklungsprogramme für diese Hybridfahrzeuge.

Vor 11 Jahren wurde beispielsweise in den USA das Programm „The Hydrogen Fuel Initiative“ ins Leben gerufen. Das Programm zielte darauf ab, Wasserstoff-Brennstoffzellen und Infrastrukturtechnologien zu entwickeln, die erforderlich sind, um Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2020 praktisch und wirtschaftlich zu machen. Übrigens wurden in dieser Zeit mehr als 1 Milliarde US-Dollar für das Programm bereitgestellt, was auf eine ernsthafte Beteiligung der US-Behörden hinweist.

Auf der anderen Seite des Ozeans waren auch die Autohersteller in Alarmbereitschaft und begannen ihre Forschungen zu Brennstoffzellenautos oder setzten sie fort. , und arbeitete sogar weiter an der zuverlässigen Brennstoffzellentechnologie.

Der größte Erfolg auf diesem Gebiet unter allen Autoherstellern der Welt wurde von zwei japanischen Autoherstellern erzielt. Ihre Brennstoffzellen-Modelle sind bereits in Serie gegangen, die Konkurrenz folgt ihnen direkt nach.

Daher sind Brennstoffzellen in der Automobilindustrie langlebig. Betrachten wir die Prinzipien der Technologie und ihre Anwendung in modernen Autos.

So funktioniert die Brennstoffzelle

Eigentlich, . Aus technischer Sicht kann eine Brennstoffzelle als elektrochemisches Gerät zur Energieumwandlung definiert werden. Es wandelt Wasserstoff- und Sauerstoffpartikel in Wasser um und produziert dabei gleichzeitig Strom, Gleichstrom.

Es gibt viele Arten von Brennstoffzellen, einige sind bereits in Autos im Einsatz, andere befinden sich in Forschungstests. Die meisten von ihnen verwenden Wasserstoff und Sauerstoff als die wichtigsten chemischen Elemente, die für die Umwandlung benötigt werden.

Ein ähnlicher Vorgang findet in einer herkömmlichen Batterie statt, der einzige Unterschied besteht darin, dass sie bereits alle notwendigen Chemikalien zur Umwandlung "an Bord" hat, während die Brennstoffzelle von außen "geladen" werden kann, wodurch der Prozess der "Erzeugung" von Strom kann weitergeführt werden. Neben Wasserdampf und Strom entsteht als weiteres Nebenprodukt des Verfahrens Wärme.

Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran enthält eine protonenleitende Polymermembran, die die beiden Elektroden – Anode und Kathode – trennt. Jede Elektrode ist normalerweise eine Kohlenstoffplatte (Matrix) mit einem Trägerkatalysator - Platin oder eine Legierung aus Platinoiden und anderen Zusammensetzungen.

Am Anodenkatalysator dissoziiert molekularer Wasserstoff und verliert Elektronen. Wasserstoffkationen werden durch die Membran zur Kathode transportiert, aber Elektronen werden an den externen Kreislauf abgegeben, da die Membran keine Elektronen durchlässt.

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

wikipedia.org

Anwendung im Auto

Von allen Arten von Brennstoffzellen scheinen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, oder wie sie im Westen genannt werden, Polymeraustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) der beste Kandidat für Fahrzeuganwendungen zu sein. Die Hauptgründe hierfür sind die hohe Leistungsdichte und die relativ niedrige Betriebstemperatur, wodurch die Brennstoffzellen schnell in Betrieb genommen werden können. Sie werden schnell warm und produzieren die erforderliche Strommenge. Es nutzt auch eine der einfachsten Reaktionen aller Arten von Brennstoffzellen.

Das erste Fahrzeug mit dieser Technologie entstand bereits 1994, als Mercedes-Benz den MB100 auf Basis des NECAR1 (New Electric Car 1) vorstellte. Abgesehen von der geringen Leistung (nur 50 Kilowatt) war der größte Nachteil dieses Konzepts, dass die Brennstoffzelle das gesamte Laderaumvolumen des Transporters einnahm.

Auch aus Sicht der passiven Sicherheit war es eine schreckliche Idee für die Massenproduktion, da an Bord ein massiver Tank mit brennbarem Wasserstoff unter Druck erforderlich war.

Im Laufe des nächsten Jahrzehnts entwickelte sich die Technologie weiter und eines der neuesten Brennstoffzellenkonzepte von Mercedes hatte eine Leistung von 115 PS. (85 kW) und eine Reichweite von rund 400 Kilometern vor dem Tanken. Natürlich waren die Deutschen nicht die einzigen Pioniere bei der Entwicklung der Brennstoffzellen der Zukunft. Vergessen Sie nicht die beiden Japaner, Toyota und. Einer der größten Autohersteller war Honda, der ein Serienauto mit einem Wasserstoff-Brennstoffzellen-Kraftwerk auf den Markt brachte. Der Leasingverkauf von FCX ​​Clarity in den USA begann im Sommer 2008, wenig später wurde das Auto nach Japan verkauft.

Noch weiter ging Toyota mit dem Mirai, dessen fortschrittliches Wasserstoff-Brennstoffzellen-System offenbar in der Lage ist, dem futuristischen Auto eine Reichweite von 520 km mit einer einzigen Tankfüllung zu verleihen, die wie ein normales Auto in weniger als fünf Minuten betankt werden kann. Die Verbrauchswerte werden jeden Skeptiker verblüffen, sie sind selbst für ein Auto mit einem klassischen Kraftwerk unglaublich, es verbraucht 3,5 Liter, unabhängig von den Bedingungen, unter denen das Auto verwendet wird, in der Stadt, auf der Autobahn oder im kombinierten Zyklus.

Acht Jahre sind vergangen. Honda hat diese Zeit gut genutzt. Die zweite Generation des Honda FCX Clarity ist jetzt im Handel. Seine Brennstoffzellenstacks sind 33 % kompakter als das erste Modell, und die Leistungsdichte wurde um 60 % erhöht. Honda sagt, dass die Brennstoffzelle und der integrierte Antriebsstrang im Clarity Fuel Cell in der Größe mit einem V6-Motor vergleichbar sind und Platz für fünf Passagiere und ihr Gepäck lassen.

Die geschätzte Reichweite beträgt 500 km, der Startpreis für neue Artikel soll auf 60.000 US-Dollar festgelegt werden. Teuer? Im Gegenteil, es ist sehr günstig. Anfang 2000 kosteten Autos mit ähnlicher Technologie 100.000 US-Dollar.