Brennstoffzellen

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Akku ist nicht eindeutig genug, um Macht Elektroautos für einen beträchtlichen Zeitraum. Ohne zuverlässige und großzügig bemessene Batterien, Sie verlieren die Herausforderung der Massenmobilität. So ist die Industrie arbeitet mehr aktiv, um das Problem der alternativen Energiequellen zu Öl. Und die Richtung der vielversprechendste Alternative zu Lithium-Batterien, sind die Zellen Kraftstoff.

Das Grundprinzip der Funktionsweise dieser Zellen wurde durch britische Wissenschaftler entdeckt Sir William Grove in 1839. Es gilt als Vater der Brennstoffzelle bekannt. William Grove Es hat Elektrizität erzeugt, indem die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff-Extrakt verändert und Sauerstoff.

Nachdem die Batterie aus der Elektrolysezelle zu trennen, Hain Er war überrascht, dass die Elektroden begannen das freigesetzte Gas zu absorbieren und Energie erzeugen. Die Entdeckung des kalten Verbrennungsprozesses “idrochimica” Wasserstoff ist ein bedeutendes Ereignis in der Energiewirtschaft wird.

Der Begriff selbst “Brennstoffzelle” Er erschien später wurde vorgeschlagen, in 1889 die Ludwig Mond e Charles Langer, wen sie haben versucht, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus der Luft und aus dem Kohlegas zu schaffen.

Bei normaler Verbrennung, Sauerstoff oxydiert fossile Brennstoffe und die Brennstoff chemische Energie in thermische Energie in einer ineffizienten Weise umgewandelt. Es wurde entdeckt, dass es möglich ist, die Oxidationsreaktion durchzuführen, beispielsweise Wasserstoff mit Sauerstoff, in einem elektrolytischen Medium in Gegenwart von Elektroden zum Erhalten eines elektrischen Stromes. beispielsweise, an einer Elektrode in einem alkalischen Medium Zuführen Wasserstoff befand, wir bekommen Elektronen:

2H₂ + 4OH- → 4H₂die + 4e-

dass, die durch den externen Schaltkreis, Bereich Elektrode gegenüberliegenden, zu dem Sauerstoff eintritt und wo die Reaktion stattfindet:

4e- + die₂ + 2H₂O → 4 OH-

Sie können sehen, dass die resultierende Reaktion 2H₂ + die₂ → H₂die Es ist das gleiche wie die normale Verbrennung, aber in einer Brennstoffzelle, oder in einem elektrochemischen Generator, ein elektrischer Strom mit hohen Effizienz erzeugt, und teilweise Wärme.

Beachten Sie, dass carbone, Kohlenstoffmonoxid, Alkohole, Hydrazin und andere organische Substanzen können auch als Brennstoff in Brennstoffzellen und Luft verwendet werden, Wasserstoffperoxid, Chlor, Brom, Salpetersäure, usw.. Sie können als Oxidationsmittel verwendet werden,.

in 1965 Brennstoffzellen wurden in den Vereinigten Staaten auf dem Schiff getestet Zwillinge 5 e, anschließend, die Apollo-Schiffe für Flüge zum Mond und im Shuttle-Programm.

Die nächste Phase der schnellen Entwicklung von Brennstoffzellen begann in den 90er Jahren und setzt sich jetzt. Es wird durch die Notwendigkeit für neue und effiziente Energiequellen in Bezug verursacht, auf der einen Seite, das globale Umweltproblem der Zunahme der Treibhausgasemissionen aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und, andere, mit der Erschöpfung solcher Brennstoffe. Da Wasser das Endprodukt der Wasserstoffverbrennung in einer Brennstoffzelle, Sie sind die saubersten Umweltauswirkungen Sicht betrachtet. Das Hauptproblem ist das Finden nur eine kostengünstige Möglichkeit, um Wasserstoff zu erzeugen.

Milliarden von finanziellen Investitionen in der Entwicklung von Brennstoffzellen und Wasserstoffgeneratoren sollten zu einem Durchbruch Technologie führen und deren Verwendung im Leben eines jeden Tages Wirklichkeit werden lassen. Bereits Automobilriesen wie Ballard, Honda, Daimler Chrysler und General Motors testen bereits Autos und Busse mit Brennstoffzellen 50 kW. Mehrere Unternehmen entwickelt Demonstrationsanlagen, dass die Verwendung Brennstoffzellen mit einem Festoxid-Elektrolyten mit einer Kapazität von bis zu 500 kW. ma, trotz eines deutlichen Schritt nach vorn bei der Verbesserung der Leistung der Brennstoffzelle, Sie müssen viel mehr Probleme im Zusammenhang mit ihren Kosten lösen, Zuverlässigkeit und Sicherheit.

In einer Brennstoffzelle, im Gegensatz zu Batterien und Akkumulatoren, sowohl Brennstoff als auch das Oxidationsmittel von außen zugeführt. Die Brennstoffzelle ist nur ein Vermittler bei der Umsetzung und bei idealen Bedingungen für fast immer funktionieren konnte. Die Schönheit dieser Technologie ist, dass, de facto, l’Element verbrennt Brennstoff und wandelt direkt die Energie in Elektrizität freigesetzt. Bei der direkten Verbrennung von Kraftstoff, Es wird mit Sauerstoff und die in diesem Verfahren verwendet wird erzeugte Wärme oxidiert nützliche Arbeit zu verrichten.

In einer Brennstoffzelle, wie in Batterien, die Oxidationsreaktionen des Brennstoffs und der Sauerstoffreduktion sind räumlich getrennt, und der Prozess der “Verbrennung” Es geht nur, wenn die Zelle zum Laststrom aussendet. Es ist wie ein Diesel-Generator, nur ohne einen Dieselmotor, rauchfrei, Lärm, Überhitzung und mit viel höheren Wirkungsgrad. Letzteres wird durch die Tatsache erklärt, dass, zuerst, es gibt keine Zwischen mechanische Geräte,, zweitens, die Brennstoffzelle ist kein Motorwärme und damit nicht gegen das Gesetz von Carnot gehorcht (oder, seine Wirksamkeit wird nicht durch die Temperaturdifferenz bestimmt,).

Der Sauerstoff wird als Oxidationsmittel in Brennstoffzellen verwendet. auch, da der Sauerstoff in der Luft ist recht, Sie müssen nicht über die Lieferung eines Oxidationsmittels zu kümmern. Als für den Kraftstoff, ist Wasserstoff. dann, Die Umsetzung erfolgt in der Brennstoffzelle:

2H₂ + die₂ → H₂die + Strom + Wärme.

ichdas Ergebnis ist Nutzenergie und Wasserdampf. Die einfachste Konstruktion ist ein Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran (siehe Abbildung 1). Es funktioniert wie folgt: der Wasserstoff, der das Element eintritt zersetzt sich unter der Wirkung des Katalysators in Wasserstoffionen und Elektronen H + positiv geladene. Dann kommt in einer speziellen Membran, die wirkt als Elektrolyt in einer herkömmlichen Batterie. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung, Die Protonen gelangen durch selbst, sondern fängt Elektronen. deshalb, die an der Anode akkumulierte Elektronen erzeugen eine negative Ladung im Überschuß und Wasserstoffionen, die eine positive Ladung auf der Kathode erzeugen (die Elementspannung ungefähr 1 V).

So erstellen Sie High-Power, Eine Brennstoffzelle ist durch eine Vielzahl von Zellen gebildet,. Wenn Sie sind ein Element in der Last, die Elektronen zur Kathode hindurchfließen, einen Strom erzeugt und den Prozess der Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff abgeschlossen. Als Katalysator in den Brennstoffzellen, Sie werden typischerweise Mikropartikel aus Platin auf einem Kohlenstofffaser abgeschieden verwendet. Dank seiner Struktur, ein solcher Katalysator geht auch Gas und Strom. Die Membran wird typischerweise aus einem Polymer, Nafion schwefelhaltige. Die Dicke der Membran ist von Zehnteln eines Millimeters. Während der Reaktion, natürlich, Auch Wärme freigesetzt, aber es ist nicht so viel, dann liegt die Betriebstemperatur im Bereich beibehalten 40-80 ° C.

Feige. 1 Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Es gibt auch andere Arten von Brennstoffzellen, die unterscheiden sich hauptsächlich in der Art des verwendeten Elektrolyten. Fast alle benötigen sie Wasserstoff als Kraftstoff, so ist eine logische Frage: wo sie finden. natürlich, wäre es möglich, komprimierten Wasserstoff in speziellen Behältern zu verwenden, aber dann ergeben sich unmittelbar Probleme im Zusammenhang mit dem Transport und der Lagerung dieser leicht entzündliches Gas mit hohem Druck. natürlich, es möglich ist, Wasserstoff in gebundener Form, wie in den Batterien zu Metallhydride zu verwenden,. Aber immer noch bleibt die Aufgabe der Gewinnung und den Transport, weil es keine Infrastruktur von Wasserstoff-Tankstellen.

jedoch, Es gibt auch eine Lösung: der flüssige Brennstoff auf Basis von Kohlenwasserstoffen kann als Wasserstoffquelle verwendet werden,. beispielsweise, Ethyl oder Methylalkohol. Es ist wahr,, hier sind Sie bereits ein spezielles Zusatzgerät benötigen: ein Kraftstoff-Wandler, das umwandelt die Alkohole in einem Gemisch von gasförmigem H2 und CO 2 bei hoher Temperatur (für Methanol wird irgendwo sein 240 ° C).

Fig.2 das Funktionsprinzip einer Direktmethanol-Brennstoffzelle

Der grundlegende Unterschied zwischen den Füllelementen aus Wasserstoff und Methanol wird der Katalysator verwendet,. Der Katalysator in der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle entfernt die Protonen direkt von einem Molekül Alkohol. deshalb, das Kraftstoffproblem gelöst: Methylalkohol ist in Reihe für die chemische Industrie hergestellt, es ist einfach und Transport zu speichern, und eine Brennstoffzelle in Methanol zu laden,, es ist ausreichend, um die Patrone mit Kraftstoff zu ersetzen einfach. Es ist wahr,, gibt es einen Nachteil: Methanol ist giftig. auch, die Effizienz einer direkten Methanol-Brennstoffzelle ist deutlich geringer als die eines Wasserstoff.

Abb. 3. Eine Brennstoffzelle, in Methanol

Die attraktivste Option ist Ethanol als Kraftstoff zu verwenden,, da die Herstellung und der Vertrieb von alkoholischen Getränken jeglicher Zusammensetzung und Stärke hergestellt ist gut auf der ganzen Welt. jedoch, die Effizienz von Brennstoffzellen basierend auf Ethanol, leider, Es ist sogar niedriger als die von Methanol.

Wie bereits auf dem Gebiet der Brennstoffzellen in vielen Jahren der Entwicklung festgestellt, verschiedene Typen von Brennstoffzellen wurden konstruiert,. Die Brennstoffzellen werden durch Elektrolyt und Kraftstofftyp klassifiziert.

1. Elektrolyt Wasserstoff-Sauerstoff-Festpolymer.

2. Brennstoffzellen mit festem polymerem Methanol.

3. Elemente der alkalischen Elektrolyten.

4. Brennstoffzellen Phosphorsäure.

5. Brennstoffzellen von Karbonaten geschmolzen.

6. Solid Oxide Fuel Cells.

ideal, die Effizienz von Brennstoffzellen ist sehr hoch, aber real gibt es Verluste im Zusammenhang mit Nicht-Gleichgewichtsprozessen, als ohmsche Verluste aufgrund der Leitfähigkeit des Elektrolyten und die Elektroden, Aktivierungs Polarisation und Konzentration und Diffusionsverlusten. Infolge, ein Teil der Energie in den Brennstoffzellen erzeugt wird, in Wärme umgewandelt. Die Bemühungen von Spezialisten Ziel, diese Verluste zu reduzieren,.

Die Hauptquelle ist die ohmschen Verluste, und der Grund für den hohen Preis von Brennstoffzellen, Die Membranen sind für den Austausch von Ionen. Sie sind nun auf der Suche nach alternativen Protonen leitende Polymere billiger. Da die Leitfähigkeit dieser Membranen (Festelektrolyte) Er erreicht einen akzeptablen Wert (10 Ohm / cm) nur in Gegenwart von Wasser, die Gas zu der Brennstoffzelle zugeführt Bedarf weiter in einer speziellen Vorrichtung zu befeuchtende, das macht auch das System teurer. In den katalytischen Gasdiffusionselektroden, Einige sind vor allem Platin und andere Edelmetalle verwendet, und bisher wurde kein Ersatz gleich effizient gefunden. Obwohl der Platingehalt in Brennstoffzellen verschiedener mg / cm2, für große Batterien erreicht seine Menge zehn Gramm.

Während der Konstruktion von Brennstoffzellen, Es wird viel Aufmerksamkeit auf die Wärmeabfuhrsystem bezahlt, da hohe Stromdichte (bis zu 1 A / cm2) Überhitzung des Systems allein. Zur Kühlung, wird das Wasser, das zirkuliert in der Brennstoffzelle durch spezielle Kanäle verwendet, und, geringe Kapazität, Gebrauchte Lüftung.

dann, zusätzlich zu den Brennstoffbatteriezellen in der gleichen, ein modernes System eines elektrochemischen Generators “wächst” mit vielen Zusatzeinrichtungen, Kommen Sie: Pumpe, ein Kompressor für die Luftzufuhr, ein Wasserstoffeinlass, ein Gas-Luftbefeuchter, eine Kühleinheit, ein Gasaustritts-Steuersystem, ein DC-Wandler AC und ein Steuerprozessor und andere, All dies führt dazu, dass die Kosten des Brennstoffzellensystems in der Zeit 2004-2005 es war 2-3 tausend $ / kW. Nach Ansicht von Experten, Brennstoffzellen für den Einsatz in den Bereichen Verkehr und stationären Kraftwerken zu einem Preis von zur Verfügung 50-100 $ / kW.

Für die Einführung von Brennstoffzellen im Alltag, zusammen mit billigeren Komponenten, Wir müssen für neue Ideen und originelle Ansätze warten. insbesondere, große Hoffnungen mit der Verwendung von Nanomaterialien und Nanotechnologien assoziiert. beispielsweise, mehrere Unternehmen haben vor kurzem die Schaffung von Super effiziente Katalysatoren angekündigt, insbesondere, für eine Sauerstoffelektrode, die auf Nanoteilchen aus verschiedenen Metallen Gruppen basierend.

Es gibt Berichte von Brennstoffzellen Projekten ohne Membran in dem die Brennstoffzelle flüssigen Brennstoff zugeführt wird (wie Methanol) zusammen mit einem Oxidationsmittel,. Ein interessantes Konzept ist das Konzept entwickelte Elemente von Biobrennstoffen, die in verunreinigtem Wasser betreiben und gelösten Sauerstoff verbrauchen als Oxidationsmittel und organische Verunreinigungen als Brennstoff.

erste, es ist notwendig, um das Problem der Miniaturisierung von Brennstoffzellen zu lösen. schließlich, kleiner ist die Brennstoffzelle, weniger wird die Kraft sein, die liefern können sein, dann werden sie immer wieder neue Katalysatoren und Elektroden entwickelt, mit denen, in kleinen Größen, die Arbeitsfläche zu maximieren.

Die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie und Nanomaterialien (zum Beispiel Nanoröhrchen) sie sind nützlich.

Die zweite wichtige Frage, die angegangen werden muss, ist der Preis. tatsächlich, als Katalysator in der Mehrzahl von Brennstoffzellen, Es ist sehr teuer Platin verwendet. wieder, einige Hersteller versuchen, das Beste aus der Silizium-Technologie zu machen, bereits gut entwickelt.

Forscher haben die Möglichkeit der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser und speichern sie genau zwischen den Kohlenstoffatomen des Graphen gezeigt,. Um dies zu erreichen “Mini-Fabrik” Wasserstoff, Sie haben eine nickelbeschichtete Oberfläche von Graphen verwendet. “Die Kombination der Eigenschaften der beiden Materialien”, affirm, “Das Gerät arbeitet als ein Katalysator, der bricht die Moleküle von Wasser und teilt sie in Wasserstoffatomen und Hydroxylgruppen, (OH)”. Der erzeugte Wasserstoff wird dann auf dem gleichen Graphen absorbiert, die dann stellt es eine natürliche System der Lagerung bei Raumtemperatur. Zum Lösen des Wasserstoff, erwärmen nur die Graphen bei Temperaturen von etwa 130 ° C.

News vom ersten Dezember des Jahres gerade zu Ende gegangen, Bosch Batterien Brennstoffzelle in der Stadt Wuxi entwickeln, in Ost-China, um den lokalen aufstrebenden Markt für Brennstoffzellen-Fahrzeuge zu liefern.

Wir sollten nicht ins Ausland gehen, um diese Technologie zu finden, in Piemont experimentieren mit Brennstoffzellen angetrieben Züge.

Wie können Sie die ultimative Lösung sehen gleich um die Ecke ist, aber viele kriechen, finden, Dies ist, was mit all geschieht das noch nicht Technologien reifen.