Brennstoffzellenfahrzeuge versprechen in der Tat eine vielversprechende Zukunft für den Transportsektor, aber ihre weitverbreitete Einführung könnte länger dauern als erwartet.
Was ist eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, und einem Oxidationsmittel, normalerweise Sauerstoff aus der Luft, Strom erzeugt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, die Brennstoff verbrennen, erzeugen Brennstoffzellen Strom durch einen chemischen Prozess ohne Verbrennung, was sie sauberer und effizienter macht.
Wenn Brennstoff (Wasserstoff) der Anode und Sauerstoff der Kathode zugeführt wird, treten elektrochemische Reaktionen auf, die zur Erzeugung von Strom, Wasser und Wärme als Nebenprodukte führen. Die Gesamtreaktion in einer Wasserstoffbrennstoffzelle ist typischerweise:
Anode: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Kathode: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Die bei der Oxidationsreaktion an der Anode erzeugten Elektronen können das Elektrolyt nicht passieren und werden stattdessen durch einen externen Stromkreis geleitet, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird, der elektrische Geräte oder Systeme antreiben kann. Unterdessen wandern die an der Anode und Kathode erzeugten Ionen durch das Elektrolyt, um das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Welche verschiedenen Arten von Brennstoffzellen gibt es?
Es gibt mehrere Arten von Brennstoffzellen, jede mit ihren eigenen Eigenschaften und geeigneten Anwendungen. Die gebräuchlichsten Typen von Brennstoffzellen sind:
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC): Sie arbeiten bei relativ niedrigen Temperaturen (typischerweise zwischen 60°C und 90°C), was einen schnellen Start ermöglicht und sie für Automobilanwendungen geeignet macht.
Festoxidbrennstoffzelle (SOFC): Sie arbeiten bei hohen Temperaturen, typischerweise zwischen 500°C und 1000°C, was es ihnen ermöglicht, eine Vielzahl von Brennstoffen, einschließlich Wasserstoff, Erdgas und Biokraftstoffe, direkt in Strom umzuwandeln.
Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC): DMFCs verwenden Methanol als Brennstoff, der direkt an der Anode oxidiert wird, um Strom zu erzeugen, wodurch die Notwendigkeit eines separaten Brennstoffreformers entfällt.
Woraus bestehen Wasserstoff-(PEM)-Brennstoffzellen?
Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen bestehen typischerweise aus mehreren wichtigen Komponenten:
Elektroden (Anode und Kathode): Diese Elektroden erleichtern die elektrochemischen Reaktionen mit dem Brennstoff (Wasserstoff) an der Anode und dem Oxidationsmittel (Sauerstoff) an der Kathode.
Protonenaustauschmembran (PEM): Die PEM ermöglicht den selektiven Durchtritt von Protonen (H⁺), während der Durchtritt von Elektronen blockiert wird, wodurch die Anoden- und Kathodenräume getrennt werden und der Ionenfluss für die elektrochemische Reaktion ermöglicht wird.
Gasdiffusionsschichten (GDL): Die GDL hilft, die Reaktionsgase (Wasserstoff und Sauerstoff) gleichmäßig über die Oberfläche der Elektroden zu verteilen und erleichtert die Entfernung des bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wassers.
Bipolarplatten: Sie stellen den elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Zellen in einem Stapel her, erleichtern den Fluss von Reaktionsgasen und Kühlmittel und helfen, die bei der Operation erzeugte Wärme abzuleiten.
Endplatten und Dichtungen: Diese Komponenten bieten strukturelle Unterstützung für den Brennstoffzellenstapel und verhindern Gaslecks zwischen den Zellen.
Befeuchtungs- und Kühlsysteme: In einigen PEM-Brennstoffzellendesigns werden Befeuchter und Kühlsysteme verwendet, um die Temperatur und Feuchtigkeit der Reaktionsgase zu regulieren und optimale Betriebsbedingungen für die PEM und Elektroden aufrechtzuerhalten.
Diese Komponenten arbeiten zusammen, um die elektrochemischen Reaktionen zu erleichtern, die innerhalb der PEM-Brennstoffzelle ablaufen und die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wasser und Wärme umwandeln.
Wofür werden Brennstoffzellen verwendet?
Brennstoffzellen werden aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile, einschließlich hoher Effizienz, niedriger Emissionen und leisem Betrieb, in einer Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Branchen eingesetzt. Einige häufige Anwendungen von Brennstoffzellen umfassen:
Transport: Sie treiben Fahrzeuge, Busse und Gabelstapler an und bieten lange Reichweiten, schnelles Betanken und emissionsfreien Betrieb.
Stationäre Stromerzeugung: Sie bieten zuverlässige Notstromversorgung, Stromerzeugung in abgelegenen Gebieten und kombinierte Wärme- und Stromlösungen für Haushalte, Unternehmen und Industrie.
Tragbare und Hilfsenergie: Sie verlängern die Laufzeit tragbarer Elektronik, versorgen entfernte Sensoren und bieten netzunabhängigen Strom in abgelegenen Gebieten.
Marine und Luft- und Raumfahrt: Sie treiben Schiffe leise und emissionsfrei an und werden für den Einsatz in Flugzeugen erforscht, um Emissionen und Lärm zu reduzieren.
Dies sind nur einige Beispiele für die vielfältigen Anwendungen von Brennstoffzellen. Mit dem technologischen Fortschritt und der Kostenreduktion wird erwartet, dass Brennstoffzellen eine zunehmend wichtige Rolle bei der Erreichung von Nachhaltigkeitszielen und der Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen spielen.
Welche Brennstoffzellenautos sind verfügbar?
Toyota, Hyundai, Honda, Mercedes-Benz, BMW und Riversimple führen die Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen an. Ihre Modelle wie der Toyota Mirai, der Hyundai NEXO und der Honda Clarity Fuel Cell zeigen die neuesten Fortschritte in der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie. Diese Fahrzeuge bieten eine lange Reichweite, emissionsfreien Betrieb und flexible Fahrmöglichkeiten durch eine Kombination aus Wasserstoff-Brennstoffzellen und batterieelektrischen Antrieben.
Sind Brennstoffzellenfahrzeuge die Zukunft?
Brennstoffzellenfahrzeuge versprechen in der Tat eine vielversprechende Zukunft für den Transportsektor, aber ihre weitverbreitete Einführung könnte länger dauern als erwartet. Trotz ihres Potenzials müssen mehrere Hürden überwunden werden, bevor sie auf den Straßen weit verbreitet sind. Die Infrastruktur stellt eine erhebliche Herausforderung dar; der Aufbau eines Netzes von Tankstellen, das mit herkömmlichen Tankstellen vergleichbar ist, ist notwendig.
Darüber hinaus bleiben die Kosten für Brennstoffzellenfahrzeuge hoch, hauptsächlich aufgrund teurer Materialien wie Platin, die in ihrer Konstruktion verwendet werden. Technologische Fortschritte sind erforderlich, um Brennstoffzellen effizienter und langlebiger zu machen und die Kosten weiter zu senken. Obwohl Brennstoffzellenfahrzeuge saubere Energie bieten, wird ihr Weg zu einer weit verbreiteten Transportoption wahrscheinlich schrittweise verlaufen und erfordert konzertierte Anstrengungen, um diese Herausforderungen zu bewältigen.