Eine grundlegende Übersicht über die Brennstoffzellentechnologie

Was ist eine Brennstoffzelle?

Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die Elektrizität durch eine chemische Reaktion erzeugt. Jede Brennstoffzelle weist zwei Elektroden genannt, die jeweils die Anode und Kathode. Die Reaktionen, die Elektrizität erfolgen an den Elektroden erzeugen.

Jede Brennstoffzelle weist auch einen Elektrolyten, wobei die Teilchen von einer Elektrode zum anderen elektrisch geladenen trägt und einen Katalysator, der die Reaktionen an den Elektroden beschleunigt.

Wasserstoff ist der Basis-Kraftstoff, sondern Brennstoffzellen benötigen auch Sauerstoff. Eine große Anziehungskraft von Brennstoffzellen ist, dass sie Strom erzeugen mit sehr wenig Verschmutzung # 150; viel von dem Wasserstoff und Sauerstoff verwendete bei der Erzeugung von Elektrizität schließlich ein harmloses Nebenprodukt kombinieren zu bilden, nämlich Wasser.

Ein Detail der Terminologie: eine einzelne Brennstoffzelle erzeugt eine winzige Menge an Gleichstrom (DC) Strom. In der Praxis werden viele Brennstoffzellen in der Regel zu einem Stapel zusammengesetzt. Zelle oder Stapel, sind die Prinzipien, die gleiche.

Wie funktionieren Brennstoffzellen?

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, und jeder arbeitet ein wenig anders. Aber im Allgemeinen, geben Wasserstoffatom eine Brennstoffzelle an der Anode, wo eine chemische Reaktion sie ihre Elektronen-Streifen. Die Wasserstoffatome werden nun „ionisiert“, und eine positive elektrische Ladung tragen. Die negativ geladenen Elektronen liefern den Strom durch Drähte zu tun. Wenn Wechselstrom (AC) erforderlich ist, muss der Gleichstromausgang der Brennstoffzelle durch eine Umwandlungsvorrichtung geroutet werden, um einen Wechselrichter genannt.

Sauerstoff tritt in die Brennstoffzelle an der Kathode und, in einigen Zelltypen (wie die oben veranschaulicht), dort vereinigt sich mit Elektronen aus den elektrischen Schaltkreis und Wasserstoffionen zurückkehren, die durch die Elektrolyten von der Anode zurückgelegt hat. In anderen Zelltypen nimmt der Sauerstoff Elektronen und dann durch die Elektrolyten zur Anode, wo es mit Wasserstoffionen kombiniert.

Der Elektrolyt spielt eine Schlüsselrolle. Es muss nur die entsprechenden Ionen erlauben, zwischen der Anode und der Kathode passieren. Wenn freie Elektronen oder andere Substanzen durch den Elektrolyten wandern könnten, würden sie die chemische Reaktion stören.

Ob sie an der Anode oder Kathode verbinden, zusammen Wasserstoff und Sauerstoff bildet Wasser, das fließt aus der Zelle. Solange eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt wird, wird es Strom erzeugen.

Noch besser ist, da Brennstoffzellen Elektrizität chemisch schaffen, anstatt durch Verbrennung, sind sie mit den thermodynamischen Gesetzen unterliegen, die ein konventionelles Kraftwerk begrenzen (siehe „Carnot Limit“ im Glossar). Daher sind Brennstoffzellen effizienter in Energie aus einem Brennstoff zu extrahieren. Abwärme aus einigen Zellen kann auch genutzt werden, Systemeffizienzsteigerung noch weiter.

Warum also kann ich eine Brennstoffzelle nicht gehen und kaufen?

Wissenschaftler und Erfinder haben viele verschiedene Arten und Größen von Brennstoffzellen bei der Suche nach mehr Effizienz und die technischen Details jeder Art variieren gestaltet. Viele der Entscheidungen Brennstoffzellen-Entwickler konfrontiert sind, durch die Wahl des Elektrolyten eingeschränkt. Das Design der Elektroden, zum Beispiel, und die verwendeten Materialien, um sie auf dem Elektrolyten abhängig zu machen. Heute sind die Hauptelektrolyttypen sind Alkali, mit geschmolzenem Karbonat, Phosphorsäure, Protonenaustauschmembran (PEM) und Festoxid. Die ersten drei sind flüssige Elektrolyte; die letzten beiden sind Feststoffe.

Die Art des Kraftstoffs hängt auch von dem Elektrolyten. Einige Zellen benötigen reinen Wasserstoff und fordern deshalb zusätzliche Ausrüstung wie zum Beispiel eines „Reformer“, um den Kraftstoff zu reinigen. Andere Zellen können einige Verunreinigungen tolerieren, aber möglicherweise höhere Temperaturen müssen effizienter ausgeführt werden. Flüssige Elektrolyten zirkulieren in einigen Zellen, die Pumpen erfordert. Die Art des Elektrolyten bestimmt auch eine Betriebstemperatur der Zelle # 150; „geschmolzene“ Karbonat-Zellen laufen heiß, so wie der Name schon sagt.

Jede Art von Brennstoffzelle hat Vor- und Nachteile im Vergleich zu dem anderen, und keiner ist noch billig und effizient genug, um weit traditionelle Wege der Erzeugung von Strom, wie Kohle, Wasserkraft oder auch Kernkraftwerke zu ersetzen.

Verschiedene Typen von Brennstoffzellen.

Alkali-Brennstoffzellen arbeiten mit komprimiertem Wasserstoff und Sauerstoff. Sie verwenden im allgemeinen eine Lösung von Kaliumhydroxid (chemisch, KOH) in Wasser als Elektrolyt. Der Wirkungsgrad ist etwa 70 Prozent, und die Betriebstemperatur 150 bis 200 ° C (etwa 300 bis 400 Grad F). Zellenausgangsbereiche von 300 Watt (W) bis 5 Kilowatt (kW). Alkali-Zellen wurden in Apollo Raumschiff verwendet, um sowohl Strom zu versorgen und Trinkwasser. Sie erfordern reinen Wasserstoff als Kraftstoff, aber, und ihre Platinelektrode Katalysatoren sind teuer. Und wie jeder Behälter mit Flüssigkeit gefüllt ist, können sie auslaufen.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) verwenden Hochtemperatur-Verbindungen von Salz (wie Natrium oder Magnesium) carbonate (chemisch, CO 3) als Elektrolyt. Wirkungsgrad im Bereich von 60 bis 80 Prozent, und die Betriebstemperatur beträgt etwa 650 ° C (1.200 Grad F). Einheiten mit Ausgängen wurden bis zu 2 Megawatt (MW) aufgebaut ist, und Ausführungen bestehen für die Einheiten von bis zu 100 MW. Die hohen Temperaturgrenzen Schäden durch Kohlenmonoxid „Vergiftung“ der Zelle und Abwärme können recycelt werden, um zusätzlichen Strom zu machen. Ihre Nickelelektrode-Katalysatoren sind preiswert im Vergleich zu dem Platin in anderen Zellen verwendet. Aber die hohe Temperatur begrenzt auch die Materialien und die sichere Verwendung von MCFC # 150; sie würden wahrscheinlich für den privaten Gebrauch zu heiß sein. Auch Carbonationen aus dem Elektrolyten sind in den Reaktionen verbraucht, was es notwendig macht Kohlendioxid zu injizieren, zu kompensieren.

Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) Verwenden von Phosphorsäure als Elektrolyt. Wirkungsgrad im Bereich von 40 bis 80 Prozent, und die Betriebstemperatur liegt zwischen 150 bis 200 ° C (etwa 300 bis 400 Grad F). Bestehende Phosphorsäure Zellen haben Leistungen bis 200 kW und 11 MW Einheiten getestet wurden. PAFC tolerieren eine Kohlenmonoxidkonzentration von etwa 1,5 Prozent, was die Wahl der Kraftstoffe erweitert sie nutzen können. Wenn Benzin verwendet wird, muss der Schwefel entfernt werden. Platin-Elektrode-Katalysatoren benötigt werden, und Innenteile müssen die ätzende Säure widerstehen können.

Protonenaustauschmembran (PEM) Brennstoffzellen arbeiten mit einem Polymerelektrolyten in der Form einer dünnen, durchlässigen Folie. Der Wirkungsgrad ist etwa 40 bis 50 Prozent, und die Betriebstemperatur liegt bei ca. 80 Grad C (175 Grad F). Zellenausgänge liegen allgemein im Bereich von 50 bis 250 kW. Der feste, flexible Elektrolyt wird nicht auslaufen oder reißen, und diese Zellen arbeiten bei einer ausreichend niedrigen Temperatur sie für Häuser und Autos zu machen. Aber ihre Kraftstoffe müssen gereinigt werden, und ein Platinkatalysator auf beiden Seiten des Membran verwendet wird, die Kosten zu erhöhen.

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) verwenden, um eine harte, keramische Verbindung aus Metall (wie Calcium- oder Zirkonium) oxide (chemisch, O 2) als Elektrolyt. Wirkungsgrad liegt bei etwa 60 Prozent, und die Betriebstemperaturen sind etwa 1.000 Grad C (etwa 1800 ° F). Zellen Ausgang ist bis zu 100 kW. Bei solchen hohen Temperaturen ist ein Reformer nicht zu extrahieren Wasserstoff aus dem Kraftstoff benötigt und Abwärme kann recycelt werden, um zusätzlichen Strom zu machen. Allerdings begrenzt die Hochtemperaturanwendungen von SOFC-Einheiten und sie neigen dazu, ziemlich groß zu sein. Während feste Elektrolyte können nicht auslaufen, können sie knacken.