Kompakte Brennstoffzelle ihre Nachteile. Brennstoffzelle selber bauen

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

Reis. eines. Einige Brennstoffzellen

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

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

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

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

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

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

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

1. Alkalische Brennstoffzellen (AFC)

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

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

Alkalische Brennstoffzellen verwenden einen Elektrolyten, d. h. eine wässrige Kaliumhydroxidlösung, die in einer porösen, stabilisierten Matrix enthalten ist. Die Konzentration von Kaliumhydroxid kann in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle variieren, die von 65°C bis 220°C reicht. Der Ladungsträger im SFC ist ein Hydroxidion (OH-), das sich von der Kathode zur Anode bewegt, wo es mit Wasserstoff reagiert, um Wasser und Elektronen zu erzeugen. Das an der Anode entstehende Wasser wandert zurück zur Kathode und erzeugt dort wiederum Hydroxid-Ionen. Als Ergebnis dieser Reihe von Reaktionen, die in der Brennstoffzelle stattfinden, entsteht Strom und als Nebenprodukt Wärme:

Anodenreaktion: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reaktion an der Kathode: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

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

Der Vorteil von SFCs besteht darin, dass diese Brennstoffzellen am billigsten herzustellen sind, da der Katalysator, der auf den Elektroden benötigt wird, alle Substanzen sein kann, die billiger sind als diejenigen, die als Katalysatoren für andere Brennstoffzellen verwendet werden. Darüber hinaus arbeiten SFCs bei relativ niedrigen Temperaturen und gehören zu den effizientesten.

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

2. Karbonat-Schmelz-Brennstoffzellen (MCFC)

Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat-Elektrolyt sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht die direkte Nutzung von Erdgas ohne Brennstoffprozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert aus Prozessbrennstoffen und anderen Quellen. Dieses Verfahren wurde Mitte der 1960er Jahre entwickelt. Seitdem wurden Herstellungstechnologie, Leistung und Zuverlässigkeit verbessert.

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Der Betrieb von RCFC unterscheidet sich von anderen Brennstoffzellen. Diese Zellen verwenden einen Elektrolyten aus einer Mischung geschmolzener Carbonatsalze. Derzeit werden zwei Arten von Mischungen verwendet: Lithiumcarbonat und Kaliumcarbonat oder Lithiumcarbonat und Natriumcarbonat. Um Karbonatsalze zu schmelzen und eine hohe Ionenmobilität im Elektrolyten zu erreichen, arbeiten Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt bei hohen Temperaturen (650 °C). Der Wirkungsgrad variiert zwischen 60-80%.

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

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

Reaktion an der Kathode: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

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

Die hohen Betriebstemperaturen von Schmelzkarbonatelektrolyt-Brennstoffzellen haben gewisse Vorteile. Der Vorteil ist die Möglichkeit, Standardmaterialien (Edelstahlblech und Nickelkatalysator auf den Elektroden) zu verwenden. Die Abwärme kann zur Erzeugung von Hochdruckdampf genutzt werden. Auch hohe Reaktionstemperaturen im Elektrolyten haben ihre Vorteile. Die Verwendung hoher Temperaturen dauert lange, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung von Brennstoffzellensystemen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt unter konstanten Leistungsbedingungen. Hohe Temperaturen verhindern Schäden an der Brennstoffzelle durch Kohlenmonoxid, „Vergiftung“ etc.

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

3. Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (PFC)

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

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

Ladungsträger in solchen Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H+, Proton). Ein ähnlicher Prozess findet in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (MEFCs) statt, in denen der Anode zugeführter Wasserstoff in Protonen und Elektronen gespalten wird. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Luftsauerstoff an der Kathode zu Wasser. Die Elektronen werden entlang eines externen Stromkreises geleitet und ein elektrischer Strom wird erzeugt. Nachfolgend sind die Reaktionen aufgeführt, die Strom und Wärme erzeugen.

Anodenreaktion: 2H2 => 4H+ + 4e

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

Allgemeine Elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) beträgt mehr als 40 % bei der Erzeugung elektrischer Energie. Bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom liegt der Gesamtwirkungsgrad bei etwa 85 %. Darüber hinaus kann die Abwärme bei gegebenen Betriebstemperaturen zur Erwärmung von Wasser und zur Erzeugung von Dampf bei atmosphärischem Druck genutzt werden.

Die hohe Leistung von thermischen Kraftwerken auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom ist einer der Vorteile dieser Art von Brennstoffzellen. Die Anlagen verwenden Kohlenmonoxid in einer Konzentration von etwa 1,5 %, was die Auswahl an Brennstoffen erheblich erweitert. Einfache Konstruktion, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls Vorteile solcher Brennstoffzellen.

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

4. Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (MOFEC)

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

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Der Elektrolyt in diesen Brennstoffzellen ist eine feste Polymermembran (dünne Kunststofffolie). Wenn es mit Wasser imprägniert wird, lässt dieses Polymer Protonen, aber keine Elektronen leiten.

Der Brennstoff ist Wasserstoff und der Ladungsträger ein Wasserstoffion (Proton). An der Anode wird das Wasserstoffmolekül in ein Wasserstoffion (Proton) und Elektronen getrennt. Die Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten zur Kathode, während sich die Elektronen um den äußeren Kreis bewegen und elektrische Energie erzeugen. Sauerstoff, der der Luft entnommen wird, wird der Kathode zugeführt und verbindet sich mit Elektronen und Wasserstoffionen zu Wasser. An den Elektroden finden folgende Reaktionen statt: Anodenreaktion: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKathodenreaktion: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Gesamtzellreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O Im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen, Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran erzeugen mehr Energie für ein gegebenes Volumen oder Gewicht der Brennstoffzelle. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, kompakt und leicht zu sein. Außerdem liegt die Betriebstemperatur unter 100°C, was Ihnen eine schnelle Inbetriebnahme ermöglicht. Diese Eigenschaften sowie die Fähigkeit, die Energieabgabe schnell zu ändern, sind nur einige der Merkmale, die diese Brennstoffzellen zu einem erstklassigen Kandidaten für den Einsatz in Fahrzeugen machen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Elektrolyt eher ein Feststoff als eine Flüssigkeit ist. Mit einem Festelektrolyten ist es einfacher, Gase an Kathode und Anode zu halten, sodass solche Brennstoffzellen billiger herzustellen sind. Bei Verwendung eines Festelektrolyten gibt es keine Orientierungsschwierigkeiten und weniger Probleme durch das Auftreten von Korrosion, was die Lebensdauer der Zelle und ihrer Komponenten erhöht.

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5. Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)

Festoxid-Brennstoffzellen sind die Brennstoffzellen mit der höchsten Betriebstemperatur. Die Betriebstemperatur kann von 600 °C bis 1000 °C variieren, was den Einsatz verschiedener Kraftstoffarten ohne spezielle Vorbehandlung ermöglicht. Um diese hohen Temperaturen zu bewältigen, ist der verwendete Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis, oft eine Legierung aus Yttrium und Zirkonium, das ein Leiter von Sauerstoff (O2-)-Ionen ist. Die Technologie der Verwendung von Festoxidbrennstoffzellen hat sich seit den späten 1950er Jahren entwickelt und hat zwei Konfigurationen: planar und röhrenförmig.

Ein Festelektrolyt sorgt für einen hermetischen Gasübergang von einer Elektrode zur anderen, während sich Flüssigelektrolyte in einem porösen Substrat befinden. Ladungsträger in solchen Brennstoffzellen ist das Sauerstoffion (О2-). An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle aus der Luft in ein Sauerstoffion und vier Elektronen getrennt. Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Wasserstoff zu vier freien Elektronen. Die Elektronen werden durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch elektrischer Strom und Abwärme erzeugt werden.

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Anodenreaktion: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reaktion an der Kathode: O2 + 4e- => 2O2-

Allgemeine Elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Festoxidbrennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (600°C–1000°C), was zu einer beträchtlichen Zeitdauer führt, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Bei solch hohen Betriebstemperaturen ist kein Konverter erforderlich, um Wasserstoff aus dem Brennstoff zurückzugewinnen, wodurch das Wärmekraftwerk mit relativ unreinen Brennstoffen aus der Kohlevergasung oder Abgasen und dergleichen betrieben werden kann. Außerdem eignet sich diese Brennstoffzelle hervorragend für Hochleistungsanwendungen, einschließlich industrieller und großer zentraler Kraftwerke. Industriell gefertigte Module mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 100 kW.

6. Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation (DOMTE)

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

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

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

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

7. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PETE)

Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen die Leitungswasserionen H2O+ (Proton, rot) an das Wassermolekül angelagert sind. Wassermoleküle stellen aufgrund des langsamen Ionenaustauschs ein Problem dar. Daher ist eine hohe Wasserkonzentration sowohl im Kraftstoff als auch an den Abgaselektroden erforderlich, was die Betriebstemperatur auf 100 °C begrenzt.

8. Festsäure-Brennstoffzellen (SCFC)

In Festsäure-Brennstoffzellen enthält der Elektrolyt (CsHSO4) kein Wasser. Die Betriebstemperatur beträgt daher 100-300°C. Durch die Rotation der SO42-Oxyanionen können sich die Protonen (rot) wie in der Abbildung gezeigt bewegen. Typischerweise ist eine Feststoff-Säure-Brennstoffzelle ein Sandwich, bei dem eine sehr dünne Schicht einer festen Säureverbindung zwischen zwei fest zusammengepressten Elektroden angeordnet ist, um einen guten Kontakt sicherzustellen. Beim Erhitzen verdampft die organische Komponente, tritt durch die Poren in den Elektroden aus und behält die Fähigkeit zahlreicher Kontakte zwischen dem Brennstoff (oder Sauerstoff am anderen Ende der Zelle), dem Elektrolyten und den Elektroden bei.

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9. Gegenüberstellung der wichtigsten Eigenschaften von Brennstoffzellen

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10. Einsatz von Brennstoffzellen in Autos

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Energieexperten stellen fest, dass in den meisten entwickelten Ländern ein schnell wachsendes Interesse an dezentralen Energiequellen mit relativ geringer Kapazität besteht. Die Hauptvorteile dieser autonomen Kraftwerke sind moderate Kapitalkosten während des Baus, schnelle Inbetriebnahme, relativ einfache Wartung und gute Umweltleistung. Bei einem autarken Stromversorgungssystem sind keine Investitionen in Stromleitungen und Umspannwerke erforderlich. Die Verortung autarker Energiequellen direkt an den Verbrauchsstellen eliminiert nicht nur Verluste in den Netzen, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit der Stromversorgung.

Autarke Energiequellen wie kleine Gasturbinen (Gasturbinen), Verbrennungsmotoren, Windturbinen und Halbleiter-Solarpanels sind allgemein bekannt.

Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren oder Kohle-/Gasturbinen verbrennen Brennstoffzellen keinen Brennstoff. Sie wandeln die chemische Energie des Kraftstoffs durch eine chemische Reaktion in Strom um. Daher produzieren Brennstoffzellen keine großen Mengen an Treibhausgasen, die während der Kraftstoffverbrennung freigesetzt werden, wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Stickoxide (NOx). Brennstoffzellenemissionen sind Wasser in Form von Dampf und geringe Mengen an Kohlendioxid (oder überhaupt keine CO2-Emissionen), wenn Wasserstoff als Brennstoff für die Zellen verwendet wird. Darüber hinaus arbeiten Brennstoffzellen geräuschlos, da sie keine lauten Hochdruckrotoren enthalten und es während des Betriebs keine Abgasgeräusche oder Vibrationen gibt.

Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie des Brennstoffs durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in Elektrizität um. Brennstoffzellen bestehen aus einer Anode (Minusseite), einer Kathode (Plusseite) und einem Elektrolyten, der die Bewegung von Ladungen zwischen den beiden Seiten der Brennstoffzelle ermöglicht (Abbildung: Schematische Darstellung der Brennstoffzelle).

Die Elektronen bewegen sich durch den externen Stromkreis von der Anode zur Kathode und erzeugen Gleichstrom. Da der Hauptunterschied zwischen verschiedenen Brennstoffzellentypen der Elektrolyt ist, werden Brennstoffzellen nach dem verwendeten Elektrolyttyp eingeteilt, d.h. Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Brennstoffzellen (TEPM, PMTE). Wasserstoff ist der häufigste Brennstoff, aber manchmal können auch Kohlenwasserstoffe wie Erdgas und Alkohole (z. B. Methanol) verwendet werden. Brennstoffzellen unterscheiden sich von Batterien darin, dass sie eine konstante Brennstoff- und Sauerstoff-/Luftquelle benötigen, um die chemische Reaktion am Laufen zu halten, und dass sie Strom erzeugen, solange sie zugeführt werden.

Brennstoffzellen haben gegenüber herkömmlichen Energiequellen wie Verbrennungsmotoren oder Batterien folgende Vorteile:

• Brennstoffzellen sind effizienter als Diesel- oder Gasmotoren.
• Die meisten Brennstoffzellen sind im Vergleich zu Verbrennungsmotoren geräuschlos. Daher eignen sie sich für Gebäude mit besonderen Anforderungen, wie z. B. Krankenhäuser.
• Brennstoffzellen führen nicht zu der Umweltverschmutzung, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht wird; Beispielsweise ist das einzige Nebenprodukt von Wasserstoff-Brennstoffzellen Wasser.
• Wird Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser gewonnen, das von einer erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt wird, dann wird beim Einsatz von Brennstoffzellen während des gesamten Kreislaufs kein Treibhausgas freigesetzt.
• Brennstoffzellen benötigen keine konventionellen Brennstoffe wie Öl oder Gas, wodurch die wirtschaftliche Abhängigkeit von Ölförderländern beseitigt und eine höhere Energiesicherheit erreicht werden kann.
• Brennstoffzellen sind unabhängig von Stromnetzen, da Wasserstoff überall dort produziert werden kann, wo Wasser und Strom verfügbar sind, und der produzierte Kraftstoff verteilt werden kann.
• Beim Einsatz von stationären Brennstoffzellen zur Energieerzeugung am Ort des Verbrauchs können dezentrale Energienetze genutzt werden, die potentiell stabiler sind.
• Niedertemperatur-Brennstoffzellen (LEPM, PMFC) haben eine geringe Wärmeübertragung und sind daher ideal für eine Vielzahl von Anwendungen.
• Hochtemperatur-Brennstoffzellen erzeugen zusammen mit Strom hochwertige Prozesswärme und eignen sich gut für die Kraft-Wärme-Kopplung (z. B. Kraft-Wärme-Kopplung für Wohngebäude).
• Die Laufzeit ist viel länger als die Laufzeit von Batterien, da nur mehr Brennstoff benötigt wird, um die Laufzeit zu erhöhen, und keine Steigerung der Anlagenproduktivität erforderlich ist.
• Anders als Batterien haben Brennstoffzellen beim Auftanken einen „Memory-Effekt“.
• Die Wartung von Brennstoffzellen ist einfach, da sie keine großen beweglichen Teile haben.

Der gebräuchlichste Brennstoff für Brennstoffzellen ist Wasserstoff, da er keine schädlichen Schadstoffe emittiert. Es können jedoch auch andere Brennstoffe verwendet werden, und Erdgas-Brennstoffzellen gelten als effiziente Alternative, wenn Erdgas zu wettbewerbsfähigen Preisen verfügbar ist. In Brennstoffzellen fließt der Strom von Brennstoff und Oxidationsmitteln durch Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Dies verursacht eine chemische Reaktion, die Strom erzeugt; es muss kein Brennstoff verbrannt oder thermische Energie zugeführt werden, was bei herkömmlichen Verfahren zur Stromerzeugung normalerweise der Fall ist. Bei der Verwendung von natürlichem, reinem Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entstehen durch die in der Brennstoffzelle stattfindende Reaktion Wasser, thermische Energie und Strom. In Verbindung mit anderen Brennstoffen emittieren Brennstoffzellen sehr geringe Schadstoffemissionen und produzieren qualitativ hochwertigen und zuverlässigen Strom.

Die Vorteile von Erdgas-Brennstoffzellen sind wie folgt:

• Vorteile für die Umwelt- Brennstoffzellen sind eine saubere Methode zur Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen. Während Brennstoffzellen, die mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden, nur Wasser, Strom und Wärme produzieren; andere Arten von Brennstoffzellen emittieren vernachlässigbare Mengen an Schwefelverbindungen und sehr geringe Mengen an Kohlendioxid. Das von Brennstoffzellen emittierte Kohlendioxid wird jedoch konzentriert und kann leicht aufgefangen werden, anstatt in die Atmosphäre freigesetzt zu werden.
• Effizienz- Brennstoffzellen wandeln die in fossilen Brennstoffen verfügbare Energie viel effizienter in elektrische Energie um als herkömmliche brennstoffverbrennende Stromerzeugungsmethoden. Das bedeutet, dass weniger Brennstoff benötigt wird, um die gleiche Menge Strom zu erzeugen. Nach Angaben des National Energy Technology Laboratory 58 können Brennstoffzellen (in Kombination mit Erdgasturbinen) hergestellt werden, die im Leistungsbereich von 1 bis 20 MWe mit einem Wirkungsgrad von 70 % arbeiten. Dieser Wirkungsgrad ist weitaus höher als der Wirkungsgrad, der mit herkömmlichen Methoden der Stromerzeugung im angegebenen Leistungsbereich erreicht werden kann.
• Produktion mit Vertrieb- Brennstoffzellen können in sehr kleinen Größen hergestellt werden; Dadurch können sie an Orten platziert werden, an denen Strom benötigt wird. Dies gilt für Wohn-, Gewerbe-, Industrie- und sogar Fahrzeuginstallationen.
• Verlässlichkeit- Brennstoffzellen sind vollständig geschlossene Geräte ohne bewegliche Teile oder komplexe Maschinen. Das macht sie zu zuverlässigen Stromquellen, die viele Stunden lang betrieben werden können. Darüber hinaus sind sie nahezu geräuschlose und sichere Stromquellen. Auch in Brennstoffzellen gibt es keine Stromstöße; Das bedeutet, dass sie dort eingesetzt werden können, wo eine ständig funktionierende, zuverlässige Stromquelle benötigt wird.

Weniger verbreitet waren bis vor kurzem Brennstoffzellen (FC), elektrochemische Generatoren, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln, Verbrennungsprozesse umgehen, thermische Energie in mechanische Energie und letztere in Elektrizität umwandeln können. Elektrische Energie wird in Brennstoffzellen durch die chemische Reaktion zwischen dem Reduktionsmittel und dem Oxidationsmittel erzeugt, die kontinuierlich den Elektroden zugeführt werden. Das Reduktionsmittel ist meistens Wasserstoff, das Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft. Die Kombination aus einem Brennstoffzellenstapel und Vorrichtungen zum Zuführen von Reagenzien, Abführen von Reaktionsprodukten und nutzbarer Wärme ist ein elektrochemischer Generator.
Im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts, als die Zuverlässigkeit der Stromversorgung und Umweltaspekte von besonderer Bedeutung waren, begannen viele Firmen in Europa, Japan und den Vereinigten Staaten, mehrere Varianten von Brennstoffzellen zu entwickeln und herzustellen.
Am einfachsten sind alkalische Brennstoffzellen, von denen die Entwicklung dieser Art autonomer Energiequellen ausging. Die Betriebstemperatur in diesen Brennstoffzellen beträgt 80-95°C, der Elektrolyt ist eine 30%ige Lösung von ätzendem Kalium. Alkalische Brennstoffzellen arbeiten mit reinem Wasserstoff.
In letzter Zeit hat sich die PEM-Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembranen (mit Polymerelektrolyt) weit verbreitet. Die Arbeitstemperatur liegt bei diesem Verfahren ebenfalls bei 80-95°C, jedoch wird als Elektrolyt eine feste Ionenaustauschermembran mit Perfluorsulfonsäure verwendet.
Am attraktivsten ist freilich die PAFC-Phosphorsäure-Brennstoffzelle, die allein bei der Stromerzeugung einen Wirkungsgrad von 40 % und bei der Nutzung der erzeugten Wärme von -85 % erreicht. Die Betriebstemperatur dieser Brennstoffzelle beträgt 175–200 °C, der Elektrolyt ist flüssiges, mit Phosphorsäure imprägniertes, mit Teflon gebundenes Siliziumkarbid.

Das Zellpaket ist mit zwei porösen Graphitelektroden und ortho-Phosphorsäure als Elektrolyt ausgestattet. Die Elektroden sind mit einem Platinkatalysator beschichtet. Im Reformer geht Erdgas in Wechselwirkung mit Wasserdampf in Wasserstoff und CO über, das im Konverter zusätzlich zu CO2 oxidiert wird. Außerdem dissoziieren Wasserstoffmoleküle unter dem Einfluss des Katalysators an der Anode zu H-Ionen, die bei dieser Reaktion freigesetzten Elektronen werden durch die Ladung zur Kathode geleitet. An der Kathode reagieren sie mit durch den Elektrolyten diffundierenden Wasserstoffionen und mit Sauerstoffionen, die durch die katalytische Oxidation von Luftsauerstoff an der Kathode entstehen, zu Wasser.
Zu vielversprechenden Brennstoffzellentypen gehören auch Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat vom MCFC-Typ. Diese Brennstoffzelle hat beim Betrieb mit Methan einen Wirkungsgrad von 50-57 % für Strom. Betriebstemperatur 540-650°C, Elektrolyt - geschmolzenes Karbonat von Kalium und Natriumalkali in einer Schale - eine Matrix aus Lithium-Aluminiumoxid LiA102.
Und schließlich ist das vielversprechendste Brennelement SOFC. Es ist eine Festoxid-Brennstoffzelle, die jeden gasförmigen Brennstoff verwendet und am besten für relativ große Anlagen geeignet ist. Seine Energieeffizienz liegt bei 50-55 %, beim Einsatz in GuD-Anlagen bei bis zu 65 %. Betriebstemperatur 980-1000°C, Elektrolyt - massives Zirkonium, stabilisiert mit Yttrium.

Auf Abb. 2 zeigt eine 24-Zellen-SOFC-Batterie, die von Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP – Deutschland) entwickelt wurde. Diese Batterie ist die Basis eines mit Erdgas betriebenen elektrochemischen Generators. Bereits 1986 wurden die ersten Demonstrationsversuche eines Kraftwerks dieses Typs mit einer Leistung von 400 W durchgeführt. In den Folgejahren wurde das Design von Festoxid-Brennstoffzellen verbessert und ihre Leistung gesteigert.

Am erfolgreichsten waren die Demonstrationstests der 1999 in Betrieb genommenen Anlage mit einer Leistung von 100 kW. Das Kraftwerk bestätigte die Möglichkeit, Strom mit hohem Wirkungsgrad (46%) zu gewinnen, und zeigte auch eine hohe Stabilität der Eigenschaften. Somit wurde die Möglichkeit bewiesen, das Kraftwerk mit einem akzeptablen Leistungsabfall mindestens 40.000 Stunden lang zu betreiben.

2001 wurde ein neues Kraftwerk auf Basis von Festoxidelementen entwickelt, das bei atmosphärischem Druck arbeitet. Die Batterie (elektrochemischer Generator) mit einer Kraftwerksleistung von 250 kW mit kombinierter Strom- und Wärmeerzeugung umfasste 2304 Volloxid-Rohrelemente. Darüber hinaus umfasste die Anlage einen Wechselrichter, einen Regenerator, eine Brennstoffheizung (Erdgas), eine Brennkammer zur Lufterwärmung, einen Wärmetauscher zur Erwärmung von Wasser mit der Wärme von Rauchgasen und andere Hilfsgeräte. Gleichzeitig waren die Gesamtabmessungen der Installation mit 2,6 x 3,0 x 10,8 m recht moderat.
Einige Fortschritte in der Entwicklung großer Brennstoffzellen wurden von japanischen Spezialisten erzielt. Bereits 1972 wurde in Japan mit Forschungsarbeiten begonnen, wesentliche Fortschritte wurden jedoch erst Mitte der 1990er Jahre erzielt. Experimentelle Brennstoffzellenmodule hatten eine Leistung von 50 bis 1000 kW, wobei 2/3 davon mit Erdgas betrieben wurden.
1994 wurde in Japan eine 1-MW-Brennstoffzellenanlage gebaut. Bei einem Gesamtwirkungsgrad (mit Dampf- und Warmwassererzeugung) von 71 % hatte die Anlage einen Wirkungsgrad für die Stromversorgung von mindestens 36 %. Presseberichten zufolge ist seit 1995 in Tokio ein 11-MW-Phosphorsäure-Brennstoffzellen-Kraftwerk in Betrieb, und bis zum Jahr 2000 hat die Brennstoffzellen-Gesamtleistung 40 MW erreicht.

Alle oben aufgeführten Installationen gehören zur Industrieklasse. Ihre Entwickler sind ständig bestrebt, die Leistung der Aggregate zu steigern, um die Kostencharakteristik (spezifische Kosten pro kW installierter Leistung und Kosten des erzeugten Stroms) zu verbessern. Aber es gibt einige Unternehmen, die sich ein anderes Ziel setzen: die Entwicklung einfachster Installationen für den Hausgebrauch, einschließlich individueller Stromversorgung. Und in diesem Bereich gibt es bedeutende Erfolge:

• Plug Power LLC hat eine 7-kW-Brennstoffzelleneinheit entwickelt, um ein Haus mit Strom zu versorgen;
• Die H Power Corporation produziert 50-100-W-Batterieladegeräte für den Transport;
• Internes Unternehmen. Fuel Cells LLC stellt 50-300-W-Fahrzeuge und persönliche Stromversorgungen her;
• Analytic Power Inc. hat private 150-W-Stromversorgungen für die US-Armee sowie Brennstoffzellen-Heimstromversorgungen mit 3 kW bis 10 kW entwickelt.

Was sind die Vorteile von Brennstoffzellen, die zahlreiche Unternehmen veranlassen, stark in ihre Entwicklung zu investieren?
Elektrochemische Generatoren haben neben einer hohen Zuverlässigkeit einen hohen Wirkungsgrad, der sie positiv von Dampfturbinenanlagen und sogar von Anlagen mit einfachen Kreisgasturbinen unterscheidet. Ein wichtiger Vorteil von Brennstoffzellen ist die komfortable Nutzung als dezentrale Energiequelle: Durch den modularen Aufbau lassen sich beliebig viele Einzelzellen zu einer Batterie hintereinander schalten – eine ideale Qualität zur Leistungssteigerung.

Das wichtigste Argument für Brennstoffzellen ist jedoch ihre Umweltverträglichkeit. Die Emissionen von NOX und CO aus diesen Anlagen sind so gering, dass beispielsweise die Luftqualitätsbehörden der Bezirke in den Regionen (in denen die Umweltschutzvorschriften in den USA am strengsten sind) diese Geräte nicht einmal in allen Anforderungen bezüglich des Schutzes erwähnen der Atmosphäre.

Zahlreiche Vorteile der Brennstoffzelle können ihren einzigen Nachteil, die hohen Kosten, derzeit leider nicht aufwiegen: In den USA beispielsweise liegen die spezifischen Investitionskosten für den Bau eines Kraftwerks selbst mit den konkurrenzfähigsten Brennstoffzellen bei etwa 3.500 $/kW . Obwohl die Regierung einen Zuschuss von 1.000 $/kWh bereitstellt, um die Nachfrage nach dieser Technologie anzukurbeln, bleiben die Kosten für den Bau solcher Anlagen recht hoch. Vor allem im Vergleich zu den Investitionskosten für den Bau eines Mini-BHKW mit Gasturbinen oder mit Verbrennungsmotoren im Megawatt-Leistungsbereich, die bei etwa 500 $/kW liegen.

In den letzten Jahren wurden einige Fortschritte bei der Reduzierung der Kosten von FC-Installationen erzielt. Der oben erwähnte Bau von Kraftwerken mit Brennstoffzellen auf Phosphorsäurebasis mit einer Leistung von 0,2-1,0 MW kostete 1.700 Dollar / kW. Die Energieerzeugungskosten solcher Anlagen in Deutschland werden bei einer Nutzung von 6000 Stunden pro Jahr mit 7,5-10 Cent / kWh berechnet. Auch die 200-kW-PC25-Anlage der Hessischen EAG (Darmstadt) weist eine gute Wirtschaftlichkeit auf: Die Stromkosten inklusive Abschreibung, Brennstoff- und Anlagenwartungskosten betrugen 15 Cent/kWh. Der gleiche Indikator für TKW auf Braunkohle war 5,6 Cent / kWh im Energieversorgungsunternehmen, auf Kohle - 4,7 Cent / kWh, für Kombikraftwerke - 4,7 Cent / kWh und für Dieselkraftwerke - 10,3 Cent / kWh.

Der Bau einer größeren Brennstoffzellenanlage (N=1564 kW), die seit 1997 in Köln in Betrieb ist, erforderte spezifische Investitionskosten in Höhe von 1500-1750 USD/kW, aber die Kosten der eigentlichen Brennstoffzellen betrugen nur 400 USD/kW

All dies zeigt, dass Brennstoffzellen sowohl für die Industrie als auch für autonome Installationen im Haushaltsbereich eine vielversprechende Art von energieerzeugenden Geräten sind. Die hohe Effizienz der Gasnutzung und die hervorragenden Umwelteigenschaften geben Anlass zu der Annahme, dass nach Lösung der wichtigsten Aufgabe - der Kostensenkung - diese Art von Energieausrüstung auf dem Markt der autonomen Wärme- und Stromversorgungssysteme gefragt sein wird.

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

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

Ähnlich wie eine Batterie erzeugt eine Brennstoffzelle durch eine chemische Reaktion Gleichstrom. Wie eine Batterie enthält eine Brennstoffzelle wiederum eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Im Gegensatz zu Batterien können Brennstoffzellen jedoch keine elektrische Energie speichern, sich nicht entladen und benötigen keinen Strom, um wieder aufgeladen zu werden. Brennstoffzellen können kontinuierlich Strom erzeugen, solange sie mit Brennstoff und Luft versorgt werden. Der korrekte Begriff zur Beschreibung einer funktionierenden Brennstoffzelle ist Zellsystem, da einige Hilfssysteme erforderlich sind, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

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

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

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen

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

Anode und Kathode sind durch einen protonenleitenden Elektrolyten getrennt. Nachdem Wasserstoff in die Anode und Sauerstoff in die Kathode eingetreten sind, beginnt eine chemische Reaktion, bei der elektrischer Strom, Wärme und Wasser erzeugt werden. Am Anodenkatalysator dissoziiert molekularer Wasserstoff und gibt Elektronen ab. Wasserstoffionen (Protonen) werden durch den Elektrolyten zur Kathode geleitet, während Elektronen durch den Elektrolyten und durch einen externen Stromkreis geleitet werden, wodurch ein Gleichstrom erzeugt wird, der zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden kann. Auf dem Kathodenkatalysator verbindet sich ein Sauerstoffmolekül mit einem Elektron (das von externen Verbindungen zugeführt wird) und einem ankommenden Proton und bildet Wasser, das das einzige Reaktionsprodukt (in Form von Dampf und / oder Flüssigkeit) ist.

Nachfolgend die entsprechende Reaktion:

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

Brennstoffzellen-Typen

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

Dies bedeutet häufig, dass eine Brennstoffaufbereitung erforderlich ist, um den Primärbrennstoff (z. B. Erdgas) in reinen Wasserstoff umzuwandeln. Dieser Prozess verbraucht zusätzliche Energie und erfordert eine spezielle Ausrüstung. Hochtemperatur-Brennstoffzellen benötigen dieses zusätzliche Verfahren nicht, da sie den Brennstoff bei erhöhten Temperaturen „intern umwandeln“ können, wodurch keine Investitionen in die Wasserstoffinfrastruktur erforderlich sind.

Brennelemente auf geschmolzenem Karbonat (MCFC).

Schmelzkarbonat-Elektrolyt-Brennstoffzellen sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht die direkte Nutzung von Erdgas ohne Brennstoffprozessor und Brenngas mit niedrigem Heizwert aus Prozessbrennstoffen und anderen Quellen. Dieses Verfahren wurde Mitte der 1960er Jahre entwickelt. Seitdem wurden Herstellungstechnologie, Leistung und Zuverlässigkeit verbessert.

Der Betrieb von RCFC unterscheidet sich von anderen Brennstoffzellen. Diese Zellen verwenden einen Elektrolyten aus einer Mischung geschmolzener Carbonatsalze. Derzeit werden zwei Arten von Mischungen verwendet: Lithiumcarbonat und Kaliumcarbonat oder Lithiumcarbonat und Natriumcarbonat. Um Karbonatsalze zu schmelzen und eine hohe Ionenmobilität im Elektrolyten zu erreichen, arbeiten Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt bei hohen Temperaturen (650 °C). Der Wirkungsgrad variiert zwischen 60-80%.

Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 650°C werden die Salze zu einem Leiter für Carbonationen (CO32-). Diese Ionen gelangen von der Kathode zur Anode, wo sie sich mit Wasserstoff verbinden, um Wasser, Kohlendioxid und freie Elektronen zu bilden. Diese Elektronen werden durch einen externen Stromkreis zurück zur Kathode geschickt und erzeugen als Nebenprodukt elektrischen Strom und Wärme.

Anodenreaktion: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reaktion an der Kathode: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Allgemeine Elementreaktion: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(Kathode) => H2O(g) + CO2(Anode)

Die hohen Betriebstemperaturen von Schmelzkarbonatelektrolyt-Brennstoffzellen haben gewisse Vorteile. Bei hohen Temperaturen wird das Erdgas intern reformiert, wodurch ein Brennstoffprozessor überflüssig wird. Zu den Vorteilen gehört außerdem die Möglichkeit, Standardkonstruktionsmaterialien wie Edelstahlblech und Nickelkatalysator an den Elektroden zu verwenden. Die Abwärme kann zur Erzeugung von Hochdruckdampf für verschiedene industrielle und gewerbliche Zwecke genutzt werden.

Auch hohe Reaktionstemperaturen im Elektrolyten haben ihre Vorteile. Die Verwendung hoher Temperaturen dauert lange, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Energieverbrauchs. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung von Brennstoffzellensystemen mit geschmolzenem Karbonatelektrolyt unter konstanten Leistungsbedingungen. Hohe Temperaturen verhindern Brennstoffzellenschäden durch Kohlenmonoxid, „Vergiftung“ etc.

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

Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (PFC).

Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) waren die ersten Brennstoffzellen für den kommerziellen Einsatz. Dieses Verfahren wurde Mitte der 1960er Jahre entwickelt und seit den 1970er Jahren erprobt. Seitdem wurden Stabilität, Leistung und Kosten gesteigert.

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

Ladungsträger in solchen Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H+, Proton). Ein ähnlicher Prozess findet in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (MEFCs) statt, in denen der Anode zugeführter Wasserstoff in Protonen und Elektronen gespalten wird. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Luftsauerstoff an der Kathode zu Wasser. Die Elektronen werden entlang eines externen Stromkreises geleitet und ein elektrischer Strom wird erzeugt. Nachfolgend sind die Reaktionen aufgeführt, die Strom und Wärme erzeugen.

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

Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) beträgt mehr als 40 % bei der Erzeugung elektrischer Energie. Bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom liegt der Gesamtwirkungsgrad bei etwa 85 %. Darüber hinaus kann Abwärme bei gegebenen Betriebstemperaturen zur Erwärmung von Wasser und zur Erzeugung von Dampf bei atmosphärischem Druck genutzt werden.

Die hohe Leistung von thermischen Kraftwerken auf Basis von Phosphorsäure (Orthophosphorsäure) bei der kombinierten Erzeugung von Wärme und Strom ist einer der Vorteile dieser Art von Brennstoffzellen. Die Anlagen verwenden Kohlenmonoxid in einer Konzentration von etwa 1,5 %, was die Auswahl an Brennstoffen erheblich erweitert. Außerdem beeinträchtigt CO2 den Elektrolyten und den Betrieb der Brennstoffzelle nicht, dieser Zelltyp arbeitet mit reformiertem Naturbrennstoff. Einfacher Aufbau, geringe Elektrolytflüchtigkeit und erhöhte Stabilität sind ebenfalls Vorteile dieses Brennstoffzellentyps.

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

Brennstoffzellen mit Proton Exchange Membrane (PME)

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen gelten als die beste Art von Brennstoffzellen für die Fahrzeugstromerzeugung, die Benzin- und Diesel-Verbrennungsmotoren ersetzen können. Diese Brennstoffzellen wurden erstmals von der NASA für das Gemini-Programm verwendet. Heute werden Anlagen auf MOPFC mit einer Leistung von 1 W bis 2 kW entwickelt und demonstriert.

Diese Brennstoffzellen verwenden als Elektrolyt eine feste Polymermembran (dünne Kunststofffolie). Wenn es mit Wasser imprägniert wird, lässt dieses Polymer Protonen, aber keine Elektronen leiten.

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

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

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

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Elektrolyt eine feste und keine flüssige Substanz ist. Das Halten der Gase an der Kathode und Anode ist mit einem Festelektrolyten einfacher und daher sind solche Brennstoffzellen billiger herzustellen. Im Vergleich zu anderen Elektrolyten verursacht die Verwendung eines Festelektrolyten keine Probleme wie Orientierung, es gibt weniger Probleme durch das Auftreten von Korrosion, was zu einer längeren Haltbarkeit der Zelle und ihrer Komponenten führt.

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)

Festoxid-Brennstoffzellen sind die Brennstoffzellen mit der höchsten Betriebstemperatur. Die Betriebstemperatur kann von 600 °C bis 1000 °C variieren, was den Einsatz verschiedener Kraftstoffarten ohne spezielle Vorbehandlung ermöglicht. Um diese hohen Temperaturen zu bewältigen, ist der verwendete Elektrolyt ein dünnes festes Metalloxid auf Keramikbasis, oft eine Legierung aus Yttrium und Zirkonium, das ein Leiter von Sauerstoff (O2-)-Ionen ist. Die Technologie der Verwendung von Festoxidbrennstoffzellen hat sich seit den späten 1950er Jahren entwickelt. und hat zwei Konfigurationen: planar und röhrenförmig.

Ein Festelektrolyt sorgt für einen hermetischen Gasübergang von einer Elektrode zur anderen, während sich Flüssigelektrolyte in einem porösen Substrat befinden. Ladungsträger in solchen Brennstoffzellen ist das Sauerstoffion (О2-). An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle aus der Luft in ein Sauerstoffion und vier Elektronen getrennt. Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und verbinden sich mit Wasserstoff zu vier freien Elektronen. Elektronen werden durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch elektrischer Strom und Abwärme erzeugt werden.

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

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

Festoxidbrennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (600 °C–1000 °C), was dazu führt, dass es lange dauert, bis optimale Betriebsbedingungen erreicht werden, und das System reagiert langsamer auf Änderungen des Stromverbrauchs. Bei solch hohen Betriebstemperaturen ist kein Konverter erforderlich, um Wasserstoff aus dem Brennstoff zurückzugewinnen, wodurch das Wärmekraftwerk mit relativ unreinen Brennstoffen aus der Kohlevergasung oder Abgasen und dergleichen betrieben werden kann. Außerdem eignet sich diese Brennstoffzelle hervorragend für Hochleistungsanwendungen, einschließlich industrieller und großer zentraler Kraftwerke. Industriell gefertigte Module mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 100 kW.

Brennstoffzellen mit direkter Methanoloxidation (DOMTE)

Die Technologie der Verwendung von Brennstoffzellen mit direkter Oxidation von Methanol befindet sich in einer Phase aktiver Entwicklung. Es hat sich erfolgreich im Bereich der Stromversorgung von Mobiltelefonen, Laptops sowie zur Herstellung tragbarer Stromquellen etabliert. worauf die zukünftige Anwendung dieser Elemente abzielt.

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

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

Die Entwicklung dieser Brennstoffzellen begann Anfang der 1990er Jahre. Nach der Entwicklung verbesserter Katalysatoren und dank anderer neuerer Innovationen wurden Leistungsdichte und Wirkungsgrad um bis zu 40 % gesteigert.

Diese Elemente wurden im Temperaturbereich von 50-120°C getestet. Mit niedrigen Betriebstemperaturen und ohne Konverter sind Direktmethanol-Brennstoffzellen der beste Kandidat für Anwendungen, die von Mobiltelefonen und anderen Konsumgütern bis hin zu Automotoren reichen. Der Vorteil dieser Art von Brennstoffzellen ist ihre geringe Größe aufgrund der Verwendung von flüssigem Brennstoff und das Fehlen der Verwendung eines Konverters.

Alkalische Brennstoffzellen (AFC)

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

Alkalische Brennstoffzellen verwenden einen Elektrolyten, d. h. eine wässrige Kaliumhydroxidlösung, die in einer porösen, stabilisierten Matrix enthalten ist. Die Konzentration von Kaliumhydroxid kann in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle variieren, die von 65°C bis 220°C reicht. Der Ladungsträger im SFC ist ein Hydroxidion (OH-), das sich von der Kathode zur Anode bewegt, wo es mit Wasserstoff reagiert, um Wasser und Elektronen zu erzeugen. Das an der Anode entstehende Wasser wandert zurück zur Kathode und erzeugt dort wiederum Hydroxid-Ionen. Als Ergebnis dieser Reihe von Reaktionen, die in der Brennstoffzelle stattfinden, entsteht Strom und als Nebenprodukt Wärme:

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

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

Eines der charakteristischen Merkmale von SFC ist seine hohe Empfindlichkeit gegenüber CO2, das in Kraftstoff oder Luft enthalten sein kann. CO2 reagiert mit dem Elektrolyten, vergiftet ihn schnell und reduziert die Effizienz der Brennstoffzelle stark. Daher ist der Einsatz von SFCs auf geschlossene Räume wie Raum- und Unterwasserfahrzeuge beschränkt, sie müssen mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden. Darüber hinaus sind Moleküle wie CO, H2O und CH4, die für andere Brennstoffzellen sicher und für einige von ihnen sogar Brennstoff sind, für SFCs schädlich.

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PETE)

Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen besteht die Polymermembran aus Polymerfasern mit Wasserbereichen, in denen die Leitungswasserionen H2O+ (Proton, rot) an das Wassermolekül angelagert sind. Wassermoleküle stellen aufgrund des langsamen Ionenaustauschs ein Problem dar. Daher ist eine hohe Wasserkonzentration sowohl im Kraftstoff als auch an den Abgaselektroden erforderlich, was die Betriebstemperatur auf 100 °C begrenzt.

Festsäure-Brennstoffzellen (SCFC)

In Festsäure-Brennstoffzellen enthält der Elektrolyt (CsHSO4) kein Wasser. Die Betriebstemperatur beträgt daher 100-300°C. Die Rotation der SO42-Oxy-Anionen ermöglicht es den Protonen (rot), sich wie in der Abbildung gezeigt zu bewegen.

Typischerweise ist eine Feststoff-Säure-Brennstoffzelle ein Sandwich, bei dem eine sehr dünne Schicht einer festen Säureverbindung zwischen zwei fest zusammengepressten Elektroden angeordnet ist, um einen guten Kontakt sicherzustellen. Beim Erhitzen verdampft die organische Komponente, tritt durch die Poren in den Elektroden aus und behält die Fähigkeit zahlreicher Kontakte zwischen dem Brennstoff (oder Sauerstoff am anderen Ende der Zelle), dem Elektrolyten und den Elektroden bei

Begleiten Sie uns auf

Wasserstoff-Brennstoffzelle von Nissan

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

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

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

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

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

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

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

Brennstoffzelle selber bauen

Video: Selbstgebaute Wasserstoff-Brennstoffzelle

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Video: Brennstoffzelle oder Dauerbatterie zu Hause

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

Warum die Brennstoffzelle als alternative Energiequelle gewählt wird

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

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

Video: Wasserstoff-Brennstoffzellenauto

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

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