Brennstoffzellen: Typen, Funktionsprinzip und Eigenschaften

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff, da er nur Wasser produziert und saubere Energie aus erneuerbaren Energiequellen liefert. Es kann in einer Brennstoffzelle gespeichert werden, die mithilfe einer elektrochemischen Umwandlungsvorrichtung Strom erzeugt. Wasserstoff ist die Quelle der revolutionären Energie der Zukunft, aber seine Entwicklung ist noch sehr begrenzt. Gründe: Schwierig zu produzierende Energie, Wirtschaftlichkeit und fragwürdige Energiebilanz aufgrund der energieintensiven Natur des Designs. Aber diese Energieoption bietet interessante Perspektiven in Bezug auf die Energiespeicherung, insbesondere wenn es um erneuerbare Quellen geht.

Pioniere der Brennstoffzelle

Das Konzept wurde von Humphry Davy im frühen neunzehnten Jahrhundert erfolgreich demonstriert. 1838 folgte die Pionierarbeit von Christian Friedrich Schönbein. In den frühen 1960er Jahren begann die NASA in Zusammenarbeit mit Industriepartnern mit der Entwicklung von Generatorendieses Typs für bemannte Raumflüge. Dies führte zum ersten Block von PEMFC.

Ein anderer GE-Forscher, Leonard Nidrach, hat Grubbs PEMFC mit Platin als Katalysator verbessert. Grubb-Niedrach wurde in Zusammenarbeit mit der NASA weiterentwickelt und Ende der 1960er Jahre vom Gemini-Weltraumprogramm genutzt. International Fuel Cells (IFC, später UTC Power) entwickelte das 1,5-kW-Gerät für Apollo-Raumflüge. Sie versorgten die Astronauten während ihrer Mission mit Strom und Trinkwasser. Anschließend entwickelte IFC die 12-kW-Einheiten, mit denen alle Raumschiffflüge mit Bordstrom versorgt werden.

Das Automobilelement wurde erstmals in den 1960er Jahren von Grulle erfunden. GM verwendete Union Carbide im „Electrovan“-Auto. Er wurde nur als Dienstwagen genutzt, konnte aber mit einer Tankfüllung bis zu 120 Meilen weit fahren und Geschwindigkeiten von bis zu 70 Meilen pro Stunde erreichen. Kordesch und Grulke experimentierten 1966 mit einem Wasserstoff-Motorrad. Es war ein Zellenhybrid mit einem NiCad-Akku im Tandem, der beeindruckende 1,18 l/100 km erreichte. Dieser Schritt hat die E-Bike-Technologie und die Kommerzialisierung von E-Motorrädern vorangebracht.

Im Jahr 2007 wurden Kraftstoffquellen in einer Vielzahl von Bereichen kommerzialisiert, sie begannen, an Endverbraucher mit schriftlichen Garantien und Servicemöglichkeiten verkauft zu werden, d.h. den Anforderungen und Standards einer Marktwirtschaft entsprechen. Daher begannen sich einige Marktsegmente auf die Nachfrage zu konzentrieren. Insbesondere Tausende von HilfsenergiePEMFC- und DMFC (APU)-Einheiten wurden in Unterh altungsanwendungen kommerzialisiert: Boote, Spielzeug und Trainingskits.

Horizon zeigte im Oktober 2009 das erste kommerzielle Dynario-Elektroniksystem, das mit Methanolkartuschen betrieben wird. Horizon-Brennstoffzellen können Mobiltelefone, GPS-Systeme, Kameras oder digitale Musikplayer aufladen.

Wasserstoffproduktionsverfahren

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind Substanzen, die Wasserstoff als Brennstoff enth alten. Wasserstoffkraftstoff ist ein emissionsfreier Kraftstoff, der bei der Verbrennung oder durch elektrochemische Reaktionen Energie freisetzt. Brennstoffzellen und Batterien erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion, aber erstere erzeugen Strom, solange Brennstoff vorhanden ist, und verlieren daher nie an Ladung.

Thermische Prozesse zur Herstellung von Wasserstoff umfassen typischerweise Dampfreformierung, ein Hochtemperaturverfahren, bei dem Dampf mit einer Kohlenwasserstoffquelle reagiert, um Wasserstoff freizusetzen. Viele natürliche Brennstoffe können reformiert werden, um Wasserstoff zu produzieren.

Heute werden etwa 95 % des Wasserstoffs durch Gasreformierung hergestellt. Wasser wird durch Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff gesp alten, in einem Gerät, das umgekehrt wie eine Horizon-Zero-Brennstoffzelle funktioniert.

Solare Prozesse

Sie verwenden Licht als Mittel, um Wasserstoff zu produzieren. Existiertmehrere Prozesse basierend auf Sonnenkollektoren:

1. photobiologisch;
2. Photoelektrochemikalie;
3. sonnig;
4. thermochemisch.

Photobiologische Verfahren nutzen die natürliche photosynthetische Aktivität von Bakterien und Grünalgen.

Photoelektrochemische Prozesse sind spezialisierte Halbleiter zur Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die thermochemische Wasserstoff-Solarproduktion verwendet konzentrierte Sonnenenergie für die Wassertrennungsreaktion zusammen mit anderen Spezies wie Metalloxiden.

Biologische Prozesse verwenden Mikroben wie Bakterien und Mikroalgen und können durch biologische Reaktionen Wasserstoff erzeugen. Bei der mikrobiellen Umwandlung von Biomasse bauen Mikroben organische Stoffe wie Biomasse ab, während Mikroben bei photobiologischen Prozessen Sonnenlicht als Quelle nutzen.

Erzeugungskomponenten

Geräte von Elementen bestehen aus mehreren Teilen. Jeder hat drei Hauptkomponenten:

• anode;
• Kathode;
• leitfähiger Elektrolyt.

Im Fall von Horizon-Brennstoffzellen, bei denen jede Elektrode aus einem Material mit großer Oberfläche besteht, das mit einem Katalysator aus einer Platinlegierung imprägniert ist, ist das Elektrolytmaterial eine Membran und dient als Ionenleiter. Die Stromerzeugung wird durch zwei primäre chemische Reaktionen angetrieben. Für Elemente mit reinemH_2.

Wasserstoffgas sp altet sich an der Anode in Protonen und Elektronen auf. Erstere werden durch die Elektrolytmembran getragen, letztere umfließen sie und erzeugen einen elektrischen Strom. Geladene Ionen (H + und e -) verbinden sich mit O_{2 an der Kathode, wobei Wasser und Wärme freigesetzt werden. Die vielen Umweltprobleme, die die Welt heute betreffen, mobilisieren die Gesellschaft, eine nachh altige Entwicklung und Fortschritte beim Schutz des Planeten zu erreichen. Entscheidend ist hier im Kontext der Ersatz der eigentlichen Energiegrundressourcen durch andere, die den menschlichen Bedarf voll befriedigen können.}

Die fraglichen Elemente sind genau so ein Gerät, dank dem dieser Aspekt die wahrscheinlichste Lösung findet, da es möglich ist, elektrische Energie aus sauberem Brennstoff mit hoher Effizienz und ohne CO-Emissionen zu gewinnen_2.

Platinkatalysatoren

Platin ist hochaktiv für die Wasserstoffoxidation und nach wie vor das am häufigsten verwendete Elektrokatalysatormaterial. Einer der Hauptforschungsbereiche von Horizon unter Verwendung von platinreduzierten Brennstoffzellen ist die Automobilindustrie, wo in naher Zukunft technische Katalysatoren aus Platin-Nanopartikeln auf leitfähigem Kohlenstoff geplant sind. Diese Materialien haben den Vorteil von hoch dispergierten Nanopartikeln, einer großen elektrokatalytischen Oberfläche (ESA) und minimalem Partikelwachstum bei erhöhten Temperaturen, sogar bei höheren Pt-Beladungsniveaus.

Pt-h altige Legierungen sind nützlich für Geräte, die mit speziellen Brennstoffquellen wie Methanol oder Reformierung betrieben werden (H₂, CO₂, CO und N_{2). Die Pt/Ru-Legierungen haben eine verbesserte Leistung gegenüber reinen elektrochemischen Pt-Katalysatoren in Bezug auf die Methanoloxidation und keine Möglichkeit einer Kohlenmonoxidvergiftung gezeigt. Pt 3 Co ist ein weiterer interessanter Katalysator (insbesondere für Horizon-Brennstoffzellenkathoden) und hat eine verbesserte Effizienz der Sauerstoffreduktionsreaktion sowie eine hohe Stabilität gezeigt.}

Pt/C- und Pt 3 Co/C-Katalysatoren mit hochdispergierten Nanopartikeln auf Oberflächenkohlenstoffsubstraten. Bei der Auswahl eines Brennstoffzellenelektrolyten sind mehrere wichtige Anforderungen zu berücksichtigen:

1. Hohe Protonenleitfähigkeit.
2. Hohe chemische und thermische Stabilität.
3. Geringe Gasdurchlässigkeit.

Energiequelle Wasserstoff

Wasserstoff ist das einfachste und am häufigsten vorkommende Element im Universum. Es ist ein wichtiger Bestandteil von Wasser, Öl, Erdgas und der gesamten belebten Welt. Trotz seiner Einfachheit und Fülle kommt Wasserstoff auf der Erde nur selten in seinem natürlichen gasförmigen Zustand vor. Es wird fast immer mit anderen Elementen kombiniert. Und es kann aus Öl, Erdgas, Biomasse oder durch Trennung von Wasser mit Solar- oder Elektroenergie gewonnen werden.

Sobald Wasserstoff als molekulares H₂ gebildet wird, kann die im Molekül vorhandene Energie durch Wechselwirkung freigesetzt werdenmit O₂. Dies kann entweder mit Verbrennungsmotoren oder mit Wasserstoff-Brennstoffzellen erreicht werden. In ihnen wird die Energie H_{2 mit geringer Verlustleistung in elektrischen Strom umgewandelt. Somit ist Wasserstoff ein Energieträger zum Bewegen, Speichern und Liefern von aus anderen Quellen erzeugter Energie.}

Filter für Leistungsmodule

Die Gewinnung alternativer Energieelemente ist ohne die Verwendung spezieller Filter unmöglich. Klassische Filter helfen bei der Entwicklung von Leistungsmodulen von Elementen in verschiedenen Ländern der Welt aufgrund hochwertiger Blöcke. Filter werden geliefert, um Kraftstoff wie Methanol für Zellanwendungen vorzubereiten.

Typische Anwendungen für diese Leistungsmodule umfassen die Stromversorgung an abgelegenen Orten, Notstromversorgung für kritische Versorgungen, APUs in kleinen Fahrzeugen und Schiffsanwendungen wie das Projekt Pa-X-ell, ein Projekt zum Testen von Zellen auf Passagierschiffen.

Filtergehäuse aus Edelstahl, die Filtrationsprobleme lösen. In diesen anspruchsvollen Anwendungen spezifizieren Hersteller von Zero Dawn-Brennstoffzellen Filtergehäuse aus Edelstahl von Classic Filters aufgrund von Produktionsflexibilität, höheren Qualitätsstandards, schnellen Lieferungen und wettbewerbsfähigen Preisen.

Wasserstoff-Technologieplattform

Horizon Fuel Cell Technologies wurde 2003 in Singapur gegründet und hat heute 5 internationale Niederlassungen. Die Mission der Firma isteinen Unterschied bei Brennstoffzellen zu machen, indem wir weltweit daran arbeiten, eine schnelle Kommerzialisierung zu erreichen, die Technologiekosten zu senken und ur alte Hindernisse für die Wasserstoffversorgung zu beseitigen. Das Unternehmen begann mit kleinen und einfachen Produkten, die geringe Mengen an Wasserstoff benötigen, um sie für größere und komplexere Anwendungen vorzubereiten. Durch die Einh altung strenger Richtlinien und einer Roadmap ist Horizon schnell zum weltweit größten Hersteller von Massenzellen unter 1000 W geworden und bedient Kunden in über 65 Ländern mit der größten Auswahl an kommerziellen Produkten in der Branche.

Die Horizon-Technologieplattform besteht aus: PEM - Horizon Zero Dawn Fuel Cells (Microfuel and Stacks) und deren Materialien, Wasserstoffversorgung (Elektrolyse, Reformierung und Hydrolyse), Wasserstoffspeichergeräten und -geräten.

Horizon hat den weltweit ersten tragbaren und persönlichen Wasserstoffgenerator auf den Markt gebracht. Die HydroFill-Station kann Wasserstoff erzeugen, indem Wasser in einem Tank zerlegt und in HydroStick-Kartuschen gespeichert wird. Sie enth alten eine absorbierende Legierung aus Wasserstoffgas, um eine Feststoffspeicherung bereitzustellen. Die Kartuschen können dann in ein MiniPak-Ladegerät eingesetzt werden, das kleine Kraftstofffilterelemente handhaben kann.

Horizon oder Zuhause Wasserstoff

Horizon Technologies bringt ein Wasserstoff-Lade- und Energiespeichersystem für den Heimgebrauch auf den Markt, das zu Hause Energie spart, um tragbare Geräte aufzuladen. Horizon zeichnete sich 2006 mit dem Spielzeug „H-racer“aus, einem kleinen wasserstoffbetriebenen Auto, das zur „besten Erfindung“des Jahres gewählt wurde. Horizont bietetdezentrale Energiespeicherung zu Hause mit seiner Wasserstoff-Ladestation Hydrofill, die in der Lage ist, kleine tragbare und wiederverwendbare Batterien aufzuladen. Diese Wasserstoffanlage benötigt zum Betrieb und zur Stromerzeugung nur Wasser.

Arbeit kann durch das Netz, Sonnenkollektoren oder eine Windkraftanlage bereitgestellt werden. Dort wird Wasserstoff aus dem Wassertank der Station entnommen und in fester Form in kleinen Metalllegierungszellen gespeichert. Die Hydrofill Station, die im Einzelhandel für rund 500 US-Dollar erhältlich ist, ist eine avantgardistische Lösung für Telefone. Wo Hydrofill-Brennstoffzellen zu diesem Preis zu finden sind, ist für Benutzer nicht schwierig, Sie müssen nur die entsprechende Anfrage im Internet stellen.

Wasserstoffladung im Auto

Wie batteriebetriebene Elektroautos verwenden auch Wasserstoff-betriebene Autos Strom zum Antrieb des Autos. Doch anstatt diesen Strom in Batterien zu speichern, deren Aufladen stundenlang dauert, erzeugen die Zellen an Bord des Autos Energie, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff reagieren lassen. Die Reaktion findet in Gegenwart eines Elektrolyten statt - eines nichtmetallischen Leiters, in dem der elektrische Fluss durch die Bewegung von Ionen in Geräten getragen wird, in denen Horizon-Zero-Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembranen ausgestattet sind. Sie funktionieren wie folgt:

1. Wasserstoffgas wird der "-" Anode (A) der Zelle zugeführt und Sauerstoff wird zum Pluspol geleitet.
2. Auf der Anode ist der Katalysator Platin,verwirft Elektronen von Wasserstoffatomen und hinterlässt "+"-Ionen und freie Elektronen. Nur Ionen passieren die Membran zwischen Anode und Kathode.
3. Elektronen erzeugen elektrischen Strom, indem sie sich entlang eines externen Stromkreises bewegen. An der Kathode verbinden sich Elektronen und Wasserstoffionen mit Sauerstoff zu Wasser, das aus der Zelle fließt.

Bis jetzt haben zwei Dinge die Massenproduktion von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen behindert: die Kosten und die Wasserstoffproduktion. Bis vor kurzem war der Platinkatalysator, der Wasserstoff in ein Ion und ein Elektron sp altet, unerschwinglich teuer.

Vor ein paar Jahren kosteten Wasserstoff-Brennstoffzellen etwa 1.000 Dollar für jedes Kilowatt Leistung oder etwa 100.000 Dollar für ein Auto. Verschiedene Studien wurden durchgeführt, um die Kosten des Projekts zu senken, einschließlich des Austauschs des Platinkatalysators durch eine 90-mal effizientere Platin-Nickel-Legierung. Im vergangenen Jahr berichtete das US-Energieministerium, dass die Kosten des Systems auf 61 US-Dollar pro Kilowatt gesunken seien, was in der Automobilindustrie immer noch nicht wettbewerbsfähig sei.

Röntgen-Computertomographie

Dieses zerstörungsfreie Prüfverfahren wird verwendet, um die Struktur eines zweischichtigen Elements zu untersuchen. Andere Methoden, die üblicherweise zur Untersuchung der Struktur verwendet werden:

• Quecksilberintrusionsporosimetrie;
• Atomkraftmikroskopie;
• optische Profilometrie.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Porositätsverteilung eine solide Grundlage für die Berechnung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, Permeabilität undDiffusion. Die Messung der Porosität von Elementen ist aufgrund ihrer dünnen, komprimierbaren und inhomogenen Geometrie sehr schwierig. Das Ergebnis zeigt, dass die Porosität mit der GDL-Komprimierung abnimmt.

Die poröse Struktur hat einen wesentlichen Einfluss auf den Stofftransport in der Elektrode. Das Experiment wurde bei verschiedenen Heißpressdrücken durchgeführt, die von 0,5 bis 10 MPa reichten. Die Leistung hängt hauptsächlich vom Platinmetall ab, dessen Kosten sehr hoch sind. Die Diffusion kann durch die Verwendung von chemischen Bindemitteln erhöht werden. Außerdem beeinflussen Temperaturänderungen die Lebensdauer und die durchschnittliche Leistung des Elements. Die Abbaurate von Hochtemperatur-PEMFCs ist anfangs gering und steigt dann schnell an. Damit wird die Bildung von Wasser bestimmt.

Kommerzialisierungsprobleme

Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Kosten für Brennstoffzellen halbiert und die Batterielebensdauer entsprechend verlängert werden. Heutzutage sind die Betriebskosten jedoch immer noch viel höher, da die Kosten für die Wasserstoffproduktion zwischen 2,5 und 3 $ liegen und der bereitgestellte Wasserstoff wahrscheinlich nicht weniger als 4 $/kg kosten wird. Damit die Zelle effektiv mit Batterien konkurrieren kann, sollte sie eine kurze Ladezeit haben und den Batteriewechselvorgang minimieren.

Derzeit kostet die Polymer-Brennstoffzellen-Technologie bei Massenproduktion (mindestens 500.000 Einheiten pro Jahr) 49 US-Dollar/kW. Allerdings, um mit Autos zu konkurrierenVerbrennungsmotoren, Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuge sollten etwa 36 $/kWh erreichen. Einsparungen können durch Reduzierung der Materialkosten (insbesondere durch die Verwendung von Platin), Erhöhung der Leistungsdichte, Verringerung der Systemkomplexität und Erhöhung der Lebensdauer erreicht werden. Es gibt mehrere Herausforderungen, die Technologie in großem Maßstab zu kommerzialisieren, einschließlich der Überwindung einer Reihe technischer Hindernisse.

Technische Herausforderungen der Zukunft

Die Kosten eines Stapels hängen vom Material, der Technik und den Herstellungstechniken ab. Die Materialwahl hängt nicht nur von der Eignung des Materials für die Funktion ab, sondern auch von der Bearbeitbarkeit. Kernaufgaben der Elemente:

1. Beladung des Elektrokatalysators reduzieren und Aktivität erhöhen.
2. H altbarkeit verbessern und Abbau reduzieren.
3. Optimierung des Elektrodendesigns.
4. Verbesserung der Toleranz gegenüber Verunreinigungen an der Anode.
5. Auswahl von Materialien für Komponenten. Es basiert hauptsächlich auf den Kosten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
6. Systemfehlertoleranz.
7. Die Leistung des Elements hängt hauptsächlich von der Festigkeit der Membran ab.

Die wichtigsten GDL-Parameter, die die Zellleistung beeinflussen, sind Reagenzienpermeabilität, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Unterstützung. Die GDL-Dicke ist ein wichtiger Faktor. Eine dickere Membran bietet besseren Schutz, mechanische Festigkeit, längere Diffusionswege und größere thermische und elektrische Widerstände.

Progressive Trends

Unter den verschiedenen Arten von Elementen adaptiert PEMFC mehr mobile Anwendungen (Autos, Laptops, Mobiltelefone usw.) und ist daher für eine Vielzahl von Herstellern von zunehmendem Interesse. Tatsächlich hat PEMFC viele Vorteile wie niedrige Betriebstemperatur, hohe Stromdichtestabilität, geringes Gewicht, Kompaktheit, geringes Kosten- und Volumenpotenzial, lange Lebensdauer, schnelle Starts und Eignung für intermittierenden Betrieb.

Die PEMFC-Technologie eignet sich gut für eine Vielzahl von Größen und wird auch mit einer Vielzahl von Kraftstoffen verwendet, wenn sie ordnungsgemäß zur Herstellung von Wasserstoff verarbeitet wird. Als solches findet es Anwendung von der kleinen Subwattskala bis hin zur Megawattskala. 88 % aller Lieferungen in den Jahren 2016–2018 waren PEMFC.