Brennstoffzellen revolutionieren unsere Vorstellung von Energie. Von der Stromversorgung von Haushalten bis hin zum Antrieb von Autos stellen sie eine sauberere und nachhaltigere Alternative zu fossilen Brennstoffen dar.
Je nach Art des Elektrolyten gibt es drei Haupttypen von Brennstoffzellen. Diese Klassifizierung bestimmt, welche Art von elektrochemischen Reaktionen in der Zelle stattfinden, welche Arten von Katalysatoren benötigt werden, welcher Temperaturbereich für den Betrieb der Zelle erforderlich ist, welche Art von Brennstoff benötigt wird usw.
Hier ein genauerer Blick auf fünf primäre Brennstoffzellentypen, ihre Funktionsweise und wo man sie in der Praxis findet.
Was sind Brennstoffzellen und wie funktionieren sie?
Brennstoffzellen sind elektrochemische Geräte, die die chemische Energie von Brennstoffen, üblicherweise Wasserstoff, direkt in Elektrizität umwandeln. Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor emittieren sie sehr wenig Schadstoffe und sind daher eine umweltfreundliche Energiequelle.
Brennstoffzellen Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Effizienz und geringen Umweltbelastung können sie den Energiebedarf schnell decken. Sie sind besonders wichtig für die Unterstützung von Bestrebungen wie der Dekarbonisierung der Wirtschaft, um nicht länger von fossilen Brennstoffen abhängig zu sein.
Arten von Brennstoffzellen
PEM-Brennstoffzelle (Protonenaustauschmembran) )
PEM-Brennstoffzellen verwenden ein festes Polymer als Elektrolyt und poröse Kohlenstoffelektroden mit einem Platin- oder Platinlegierungskatalysator. PEMFC zeichnen sich durch eine niedrige Betriebstemperatur (~ 80 °C) aus. Diese niedrige Betriebstemperatur ermöglicht schnelle Starts (kürzere Aufwärmzeit), schont die Bauteile und sorgt für eine längere Lebensdauer. PEM-Brennstoffzellen werden hauptsächlich im Transportwesen und seltener in stationären Anwendungen eingesetzt.
Funktionsweise
An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, wodurch paramagnetische Protonen und Elektronen entstehen. Während die Protonen die Membran durchdringen, fließen die Elektronen über einen externen Stromkreis und erzeugen so Elektrizität.
Anwendungen von PEMFC
- Tragbare Stromversorgungssysteme
- Brennstoffzellenfahrzeuge
- Notstromversorgung für Zuhause
Vorteile:
Sehr kurze Anlaufzeit, kleine Bauform und niedrige Betriebstemperaturen.
Nachteile:
Katalysatoren sind teuer und reagieren empfindlich auf Kraftstoffverunreinigungen.
Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)
SOFCs nutzen einen festen keramischen Elektrolyten mit Betriebstemperaturen von 600–1000 °C. Der Elektrolyt ist eine harte, porenfreie Keramikverbindung. Die Umwandlung von Brennstoff in Strom liegt bei SOFCs bei etwa 60 %. In Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, in denen die Abwärme zurückgewonnen und genutzt wird, kann der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffnutzung 85 % übersteigen.
Funktionsprinzip
Die Sauerstoffionen durchdringen den keramischen Elektrolyten, wo sie mit Wasserstoff reagieren und dabei Elektrizität, Wasser und Wärme erzeugen.
Hauptanwendungen von SOFC
- Energieerzeugung in Industrieanlagen
- KWK
Vorteile
Hohe Effizienz und kann Kohlenwasserstoffe nutzen
Nachteile
SOFCs arbeiten bei extrem hohen Temperaturen von bis zu 1,000 °C (1,830 °F), was die Materialien mit der Zeit zersetzt.
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Alkalische Brennstoffzellen (AFCs) verwenden einen Kaliumhydroxid-Elektrolyten. Als eine der ersten entwickelten Brennstoffzellentechnologien wurden AFCs im US-Raumfahrtprogramm zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser an Bord von Raumfahrzeugen eingesetzt. Diese Brennstoffzellen ähneln herkömmlichen PEM-Brennstoffzellen, verwenden jedoch anstelle einer sauren Membran eine alkalische Membran. Die hohe Leistungsfähigkeit von AFCs beruht auf der Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Zelle. Sie haben zudem einen Wirkungsgrad von 60 % für Weltraumanwendungen erreicht.
Funktionalität und Mechanismus
Alkalische Brennstoffzellen nutzen eine Kaliumhydroxidlösung in Wasser als Elektrolyt und können verschiedene unedle Metalle als Katalysatoren an Anode und Kathode verwenden. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einem alkalischen Medium und erzeugen dabei Strom, Wasser und Wärme.
Allgemeine Anwendungen
- Weltraummissionen (Apollo-Programm usw.)
- Notstromversorgung
Vorteile:
Es ist sehr effizient und zuverlässig.
Nachteile :
Anfällig für CO2-Verunreinigungen.
Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)
Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFCs) arbeiten bei mittleren Temperaturen (150–200 °C) und verwenden Phosphorsäure. In PAFCs dient flüssige Phosphorsäure als Elektrolyt und ist in eine mit Teflon gebundene Siliciumcarbid-Matrix eingebettet. Anode und Kathode bestehen aus porösen Kohlenstoffelektroden mit einem Platinkatalysator.
Die PAFC wird daher als Brennstoffzelle der „ersten Generation“ bezeichnet. Sie zählt zu den ausgereiftesten Zelltypen und war die erste, die kommerziell eingesetzt wurde. Stationäre Anwendungen sind der häufigste Einsatzbereich dieser Brennstoffzelle, einige PAFCs wurden jedoch auch in großen Fahrzeugen wie Stadtmobilen verwendet.
Der Wirkungsgrad von PAFCs ist etwas höher als der von Verbrennungskraftwerken; diese arbeiten typischerweise mit etwa 33 % Wirkungsgrad. Auch hinsichtlich Gewicht und Volumen sind PAFCs leistungsschwächer als andere Brennstoffzellentypen. Daher sind sie in der Regel groß und schwer. Zudem sind PAFCs teuer. Sie benötigen deutlich mehr Platinkatalysator als andere Brennstoffzellentypen, was den Preis in die Höhe treibt.
Wie es funktioniert
Wasserstoff reagiert in Gegenwart eines Katalysators mit Sauerstoff unter Erzeugung von Elektrizität und Wasser.
Primäre Verwendungen
- Strom und Wärme für Krankenhäuser und Hotels
- Kleinkraftwerke
Vorteile:
Sehr tolerant gegenüber Kraftstoffverunreinigungen.
Nachteile:
Größe und Effizienz sind bei größeren Modellen wichtiger; es gibt zwar auch kleinere, aber nicht in jedem Fall.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) arbeiten bei hohen Temperaturen (600–7000 °C) und nutzen ein geschmolzenes Karbonatsalzgemisch als Elektrolyt. MCFCs werden für Anwendungen in der Energieversorgung, der Industrie und im Militärbereich entwickelt und nutzen Erdgas- oder Kohlekraftwerke.
MCFCs nutzen eine geschmolzene Carbonatsalzmischung, die in einer porösen, chemisch inerten Lithiumaluminiumoxid-Keramikmatrix dispergiert ist. Dadurch können unedle Metalle als Anoden- und Kathodenkatalysatoren eingesetzt werden, was aufgrund der Betriebstemperaturen von 650 °C (ca. 1,200 °F) eine kostensparende Option darstellt.
Grundlegendes Arbeitsprinzip
Die Carbonationen wandern durch den Elektrolyten, um die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu ermöglichen.
Industrielle Anwendungen
- Stromerzeugung mit großtechnischen Versorgungsunternehmen
- Kohlenstoffabscheidungssysteme
Vorteile :
Hoher Wirkungsgrad, kann mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden
Nachteile :
Probleme mit Korrosion und Haltbarkeit.
Wie schneiden sie im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen ab?
Wirkungsgrade SOFCs und MCFCs sind am effizientesten, PEMFCs arbeiten mit einem geringeren Wirkungsgrad, sind aber schneller betriebsbereit.
Arbeitsbedingungen PEMFCs arbeiten bei niedrigeren Temperaturen, für SOFC und MCFC sind jedoch hohe Temperaturen (HT) erforderlich.
Anwendungsbereiche, die sich am besten eignen : Fahrzeuge (PEMFCs), Industrieanlagen (SOFCs), stationäre Stromversorgung (PAFCs)
Vorteile von Brennstoffzellen
- Umweltvorteile Keine oder minimale Schadstoffemissionen
- Sehr effizient Effizienter als Verbrennungsmotoren bei der Umwandlung von Kraftstoff in Elektrizität.
- Skalierbar: von tragbaren Geräten bis hin zu riesigen Kraftwerken
Brennstoffzellen Herausforderungen, Einschränkungen und Zukunft
Kostenfaktoren
Brennstoffzellen sind aufgrund der hohen Materialkosten, insbesondere der Kosten für Katalysatoren wie z. B. Platin, kostspielig.
Infrastrukturprobleme
Die Wasserstoffproduktion ist begrenzt, ebenso wie die Anzahl der Tankstellen.
Technische Herausforderungen
Eine weitere große Herausforderung ist die Langzeitbeständigkeit und die damit einhergehende Leistungsverschlechterung.
Fortschritte bei Materialien
Brennstoffzellen müssen kostengünstiger werden, daher suchen Forscher nach erschwinglicheren und langlebigeren Materialien.
Potenzielle Märkte
Insbesondere für Transportwesen, industrielle Anwendungen und Stromversorgungssysteme in Wohnhäusern.
Bedeutung der Integration erneuerbarer Energien
Durch die Speicherung und Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien können Brennstoffzellen als saubere Energieanlagen fungieren, die unsere Netzkapazität erweitern.
Kontaktieren Sie lydia.sales1@tmnetch.com oder besuchen Sie unsere Website. Facebook , LinkedIn-Seite und fordern Sie weitere Informationen an.
https://tmnetch.com/hydrogen-cars-refuel-and-future-of-fuel-cells/
FAQs
Welche Art von Brennstoffzelle ist am effektivsten?
SOFCs sind eine sehr effiziente Art von Brennstoffzelle für stationäre Anwendungen.
Welche Brennstoffarten können in Brennstoffzellen verwendet werden?
Es wird hauptsächlich mit Wasserstoff betrieben, einige Typen können aber auch mit Erdgas, Biogas oder Methanol betankt werden.
Sind Brennstoffzellen Batterien überlegen?
Brennstoffzellen sind für Anwendungen mit langer Laufzeit und hoher Leistung effizienter als Batterien.
Ist es möglich, Brennstoffzellen in Fahrzeugen einzusetzen?
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) sind in mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen weit verbreitet.
Wie lange haben Brennstoffzellen eine Lebensdauer?
Je nach Typ beträgt die Lebensdauer von Brennstoffzellen mit Wartung 5,000 bis über 40,000 Betriebsstunden.
