Was sind Brennstoffzellen?

Mobile Elektronik wird jedes Jahr, wenn nicht sogar jeden Monat, zugänglicher und verbreiteter. Hier haben Sie Laptops, PDAs, Digitalkameras, Mobiltelefone und eine Menge nützlicher und weniger nützlicher Geräte. Und all diese Geräte erhalten ständig neue Funktionen, leistungsstärkere Prozessoren, große Farbbildschirme und drahtlose Kommunikation, während gleichzeitig ihre Größe abnimmt. Im Gegensatz zu Halbleitertechnologien gehen die Energietechnologien all dieser mobilen Menagerie jedoch nicht sprunghaft voran.

Herkömmliche wiederaufladbare Batterien und Batterien reichen eindeutig nicht aus, um die neuesten Fortschritte in der Elektronikindustrie über einen längeren Zeitraum hinweg voranzutreiben. Und ohne zuverlässige und geräumige Batterien geht der gesamte Punkt der Mobilität und Funklosigkeit verloren. Die Computerindustrie arbeitet also immer aktiver an dem Problem alternative Netzteile. Und die vielversprechendste Richtung ist heute Brennstoffzellen.

Das Grundprinzip des Brennstoffzellenbetriebs wurde 1839 vom britischen Wissenschaftler Sir William Grove entdeckt. Er ist bekannt als der Vater der Brennstoffzelle. William Grove erzeugte Strom durch Veränderung Elektrolyse von Wasser Wasserstoff und Sauerstoff zu extrahieren. Nachdem Grove die Batterie von der Elektrolysezelle getrennt hatte, stellte er überrascht fest, dass die Elektroden das freigesetzte Gas absorbierten und Strom erzeugten. Prozessöffnung elektrochemische Kaltverbrennung von Wasserstoff Ein Ereignis im Energiesektor wurde bedeutsam, und in Zukunft spielten so bekannte Elektrochemiker wie Ostwald und Nernst eine große Rolle bei der Entwicklung der theoretischen Grundlagen und der praktischen Umsetzung von Brennstoffzellen und sagten ihnen eine große Zukunft voraus.

Selbst der Begriff "Brennstoffzelle" (Brennstoffzelle) erschien später - es wurde 1889 von Ludwig Mond und Charles Langer vorgeschlagen, die versuchten, ein Gerät zur Stromerzeugung aus Luft und Kohle zu schaffen.

Während der normalen Verbrennung oxidiert Sauerstoff fossile Brennstoffe und die chemische Energie des Brennstoffs wird ineffektiv in Wärmeenergie umgewandelt. Es stellte sich jedoch heraus, dass es möglich war, die Oxidationsreaktion, beispielsweise Wasserstoff mit Sauerstoff, in einem Elektrolytmedium und in Gegenwart von Elektroden durchzuführen, um einen elektrischen Strom zu erhalten. Wenn wir beispielsweise einer Elektrode in einem alkalischen Medium Wasserstoff zuführen, erhalten wir Elektronen:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

die durch einen externen Stromkreis zur gegenüberliegenden Elektrode gelangen, in die Sauerstoff eintritt und wo die Reaktion stattfindet: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Es ist ersichtlich, dass die resultierende Reaktion 2H2 + O2 → H2O dieselbe ist wie während der normalen Verbrennung, jedoch in der Brennstoffzelle oder auf andere Weise in elektrochemischer GeneratorEs entsteht elektrischer Strom mit hohem Wirkungsgrad und teilweiser Wärme. Beachten Sie das Kohle, Kohlenmonoxid, Alkohole, Hydrazin und andere organische Substanzen können ebenfalls als Brennstoff in Brennstoffzellen verwendet werden, und Luft, Wasserstoffperoxid, Chlor, Brom, Salpetersäure usw. können als Oxidationsmittel verwendet werden.

Die Entwicklung von Brennstoffzellen wurde sowohl im Ausland als auch in Russland und in der UdSSR kräftig fortgesetzt. Unter den Wissenschaftlern, die einen großen Beitrag zur Untersuchung von Brennstoffzellen geleistet haben, erwähnen wir V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Mitte des letzten Jahrhunderts begann ein neuer Angriff auf Brennstoffzellenprobleme. Dies ist teilweise auf die Entstehung neuer Ideen, Materialien und Technologien als Ergebnis der Verteidigungsforschung zurückzuführen.

Einer der Wissenschaftler, die einen wichtigen Schritt in der Entwicklung von Brennstoffzellen gemacht haben, war P. M. Spiridonov. Wasserstoff-Sauerstoff-Elemente von Spiridonov ergab eine Stromdichte von 30 mA / cm², was für diese Zeit als große Leistung angesehen wurde.In den vierziger Jahren schuf O. Davtyan eine Anlage zur elektrochemischen Verbrennung von Generatorgas, das durch Kohlevergasung gewonnen wurde. Mit jedem Kubikmeter Elementvolumen erhielt Davtyan 5 kW Leistung.

Das war erste Festelektrolyt-Brennstoffzelle. Es hatte einen hohen Wirkungsgrad, aber im Laufe der Zeit wurde der Elektrolyt unbrauchbar und musste gewechselt werden. Ende der fünfziger Jahre schuf Davtyan eine leistungsstarke Anlage, die den Traktor antrieb. In den gleichen Jahren entwarf und baute der englische Ingenieur T. Bacon eine Brennstoffzellenbatterie mit einer Gesamtleistung von 6 kW und einem Wirkungsgrad von 80%, die mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wurde. Das Verhältnis von Leistung zu Batteriegewicht war jedoch zu gering - solche Elemente waren auch für den praktischen Gebrauch ungeeignet meine Lieben.

In den folgenden Jahren ist die Zeit der Einzelgänger vergangen. Die Schöpfer von Raumfahrzeugen interessierten sich für Brennstoffzellen. Seit Mitte der 60er Jahre wurden Millionen von Dollar in die Brennstoffzellenforschung investiert. Die Arbeit von Tausenden von Wissenschaftlern und Ingenieuren erreichte 1965 ein neues Niveau. Brennstoffzellen wurden in den USA auf dem Raumschiff Gemini 5 und später auf Apollo-Schiffen für Flüge zum Mond und im Rahmen des Shuttle-Programms getestet.

In der UdSSR wurden bei NPO Kvant Brennstoffzellen entwickelt, auch für den Einsatz im Weltraum. In diesen Jahren erschienen bereits neue Materialien - feste Polymerelektrolyte auf Basis von Ionenaustauschermembranen, neue Arten von Katalysatoren, Elektroden. Dennoch war die Arbeitsstromdichte gering - im Bereich von 100 bis 200 mA / cm², und der Platingehalt an den Elektroden betrug mehrere g / cm². Es gab viele Probleme im Zusammenhang mit Haltbarkeit, Stabilität und Sicherheit.

Die nächste Stufe der raschen Entwicklung von Brennstoffzellen begann in den 90er Jahren. letztes Jahrhundert und geht jetzt weiter. Dies ist auf die Notwendigkeit neuer effizienter Energiequellen zurückzuführen, die einerseits auf das globale Umweltproblem der zunehmenden Treibhausgasemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und andererseits auf die Erschöpfung solcher Brennstoffe zurückzuführen sind. Da Wasser das Endprodukt der Wasserstoffverbrennung in einer Brennstoffzelle ist, gelten sie unter Umweltgesichtspunkten als die saubersten. Das Hauptproblem besteht nur darin, einen effektiven und kostengünstigen Weg zur Herstellung von Wasserstoff zu finden.

Milliarden finanzieller Investitionen in die Entwicklung von Brennstoffzellen und Wasserstoffgeneratoren sollten zu einem technologischen Durchbruch führen und deren Einsatz im Alltag Wirklichkeit werden lassen: in Handyzellen, in Autos, in Kraftwerken. Automobilgiganten wie Ballard, Honda, Daimler Chrysler und General Motors demonstrieren bereits Autos und Busse, die mit 50-kW-Brennstoffzellen fahren. Eine Reihe von Unternehmen hat sich entwickelt Demonstrationsanlagen für Festbrennelektrolyt-Brennstoffzellen bis 500 kW. Trotz eines bedeutenden Durchbruchs bei der Verbesserung der Leistung von Brennstoffzellen müssen noch viele Probleme in Bezug auf Kosten, Zuverlässigkeit und Sicherheit gelöst werden.

In einer Brennstoffzelle werden im Gegensatz zu Batterien und Akkumulatoren sowohl Brennstoff als auch Oxidationsmittel von außen zugeführt. Die Brennstoffzelle ist nur ein Vermittler in der Reaktion und könnte unter idealen Bedingungen fast für immer funktionieren. Das Schöne an dieser Technologie ist das Tatsächlich wird im Element Kraftstoff verbrannt und die freigesetzte Energie wird direkt in Elektrizität umgewandelt. Bei der direkten Verbrennung von Kraftstoff wird dieser mit Sauerstoff oxidiert und die dabei entstehende Wärme wird zur Vervollständigung nützlicher Arbeiten genutzt.

In einer Brennstoffzelle wie in Batterien sind die Reaktionen der Brennstoffoxidation und der Sauerstoffreduktion räumlich getrennt, und der Prozess des "Brennens" läuft nur ab, wenn die Zelle Strom an die Last abgibt. Es ist wie Dieselgenerator, nur ohne Diesel und Generator. Und auch ohne Rauch, Lärm, Überhitzung und mit viel höherer Effizienz. Letzteres erklärt sich aus der Tatsache, dass zum einen keine mechanischen Zwischenvorrichtungen vorhanden sind und zum anderen die Brennstoffzelle keine Wärmekraftmaschine ist und daher nicht dem Carnot-Gesetz entspricht (dh ihr Wirkungsgrad wird nicht durch die Temperaturdifferenz bestimmt).

Sauerstoff wird als Oxidationsmittel in Brennstoffzellen verwendet. Da Sauerstoff in der Luft völlig ausreicht, besteht darüber hinaus kein Grund zur Sorge um die Zufuhr eines Oxidationsmittels. Kraftstoff ist Wasserstoff. Die Reaktion findet also in der Brennstoffzelle statt:

2H2 + O2 → 2H2O + Strom + Wärme.

Das Ergebnis ist nützliche Energie und Wasserdampf. Das einfachste in seinem Design ist Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (siehe Abbildung 1). Es funktioniert wie folgt: Der in das Element eintretende Wasserstoff zersetzt sich unter Einwirkung des Katalysators in Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen H +. Dann kommt eine spezielle Membran ins Spiel, die hier als Elektrolyt in einer herkömmlichen Batterie wirkt. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung passiert es Protonen durch sich selbst, fängt aber Elektronen ein. Somit erzeugen die an der Anode akkumulierten Elektronen eine überschüssige negative Ladung und Wasserstoffionen erzeugen eine positive Ladung an der Kathode (die Spannung am Element beträgt etwa 1 V).

Um eine hohe Leistung zu erzeugen, wird eine Brennstoffzelle aus mehreren Zellen zusammengesetzt. Wenn Sie ein Element in die Last aufnehmen, fließen die Elektronen durch dieses zur Kathode, erzeugen einen Strom und schließen den Prozess der Wasserstoffoxidation durch Sauerstoff ab. Als Katalysator in solchen Brennstoffzellen werden typischerweise auf einer Kohlenstofffaser abgeschiedene Platinmikropartikel verwendet. Aufgrund seiner Struktur lässt ein solcher Katalysator Gas und Elektrizität gut durch. Die Membran besteht typischerweise aus einem schwefelhaltigen Nafion-Polymer. Die Dicke der Membran beträgt Zehntel Millimeter. Während der Reaktion wird natürlich auch Wärme freigesetzt, aber es ist nicht so viel, so dass die Betriebstemperatur im Bereich von 40-80 ° C gehalten wird.

Abb. 1. Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Es gibt andere Arten von Brennstoffzellen, die sich hauptsächlich in der Art des verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Fast alle von ihnen benötigen Wasserstoff als Kraftstoff, daher stellt sich eine logische Frage: Woher kommt er? Natürlich wäre es möglich, komprimierten Wasserstoff aus Zylindern zu verwenden, aber dann gibt es sofort Probleme beim Transport und der Lagerung dieses leicht entzündlichen Gases unter hohem Druck. Natürlich können Sie Wasserstoff in gebundener Form wie in Metallhydridbatterien verwenden. Die Aufgabe bleibt jedoch die Gewinnung und der Transport, da die Infrastruktur der Wasserstoff-Tankstellen nicht vorhanden ist.

Es gibt jedoch auch eine Lösung - flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoff kann als Wasserstoffquelle verwendet werden. Zum Beispiel Ethyl- oder Methylalkohol. Zwar ist hier bereits ein spezielles Zusatzgerät erforderlich - ein Kraftstoffkonverter, der Alkohole bei hoher Temperatur in ein Gemisch aus gasförmigem H2 und CO2 umwandelt (für Methanol liegt sie bei etwa 240 ° C). In diesem Fall ist es jedoch bereits schwieriger, über die Portabilität nachzudenken - solche Geräte werden gut als stationäre oder stationäre Geräte verwendet LichtmaschinenFür kompakte mobile Geräte benötigen Sie jedoch etwas weniger umständliches.

Und hier kommen wir zu diesem Gerät, dessen Entwicklung fast alle größten Hersteller von Elektronik mit schrecklicher Gewalt betreiben - Methanol-Brennstoffzelle (Abbildung 2).

Abb. 2. Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle auf Methanol

Der grundlegende Unterschied zwischen Wasserstoff- und Methanolfüllelementen ist der verwendete Katalysator. Der Katalysator in der Methanol-Brennstoffzelle ermöglicht die Entfernung von Protonen direkt aus dem Alkoholmolekül.Damit ist das Problem des Brennstoffs gelöst: Methylalkohol wird in Massenproduktion für die chemische Industrie hergestellt, ist leicht zu lagern und zu transportieren, und zum Laden einer Methanol-Brennstoffzelle reicht es aus, die Patrone einfach durch Brennstoff zu ersetzen. Es stimmt, es gibt ein signifikantes Minus - Methanol ist giftig. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad einer Methanol-Brennstoffzelle erheblich geringer als der einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Abb. 3. Methanol-Brennstoffzelle

Die verlockendste Option ist die Verwendung von Ethylalkohol als Kraftstoff, da die Herstellung und der Vertrieb von alkoholischen Getränken jeglicher Zusammensetzung und Stärke weltweit gut etabliert ist. Der Wirkungsgrad von Ethanol-Brennstoffzellen ist jedoch leider noch geringer als der von Methanol.

Wie bereits über viele Jahre der Entwicklung auf dem Gebiet der Brennstoffzellen festgestellt, wurden verschiedene Arten von Brennstoffzellen gebaut. Brennstoffzellen werden nach Elektrolyt und Brennstoffart klassifiziert.

1. Feststoffpolymer-Wasserstoff-Sauerstoff-Elektrolyt.

2. Feste Polymermethanol-Brennstoffzellen.

3. Elemente auf alkalischem Elektrolyten.

4. Phosphorsäure-Brennstoffzellen.

5. Brennstoffzellen auf geschmolzenen Carbonaten.

6. Festoxidbrennstoffzellen.

Idealerweise ist der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen sehr hoch, aber unter realen Bedingungen sind mit Nichtgleichgewichtsprozessen Verluste verbunden, wie z. B. ohmsche Verluste aufgrund der Leitfähigkeit des Elektrolyten und der Elektroden, Aktivierungs- und Konzentrationspolarisation, Diffusionsverluste. Dadurch wird ein Teil der in den Brennstoffzellen erzeugten Energie in Wärme umgewandelt. Die Bemühungen von Spezialisten zielen darauf ab, diese Verluste zu reduzieren.

Die Hauptquelle für ohmsche Verluste sowie der Grund für den hohen Preis von Brennstoffzellen sind perfluorierte Sulfokations-Ionenaustauschermembranen. Jetzt suchen wir nach alternativen, billigeren protonenleitenden Polymeren. Da die Leitfähigkeit dieser Membranen (Festelektrolyte) nur in Gegenwart von Wasser einen akzeptablen Wert (10 Ohm / cm) erreicht, müssen die der Brennstoffzelle zugeführten Gase zusätzlich in einer speziellen Vorrichtung angefeuchtet werden, was das System auch teurer macht. In katalytischen Gasdiffusionselektroden werden hauptsächlich Platin und einige andere Edelmetalle verwendet, und bisher wurde kein Ersatz gefunden. Obwohl der Platingehalt in den Brennstoffzellen mehrere mg / cm² beträgt, erreicht seine Menge bei großen Batterien mehrere zehn Gramm.

Bei der Auslegung von Brennstoffzellen wird dem Wärmeabfuhrsystem große Aufmerksamkeit gewidmet, da sich das System bei hohen Stromdichten (bis zu 1A / cm2) selbst erwärmt. Zur Kühlung wird Wasser verwendet, das in der Brennstoffzelle über spezielle Kanäle zirkuliert, und bei geringen Kapazitäten wird Luftblasen verwendet.

So „wächst“ ein modernes System eines elektrochemischen Generators zusätzlich zur Brennstoffzellenbatterie selbst mit vielen Hilfsgeräten wie Pumpen, Kompressor für die Luftversorgung, Wasserstoffeinlass, Gasbefeuchter, Kühleinheit, Gasleckage-Kontrollsystem, DC / AC-Wandler, Steuerprozessor und andere. All dies führt dazu, dass die Kosten für das Brennstoffzellensystem in den Jahren 2004-2005 2-3 Tausend USD / kW betrugen. Experten zufolge werden Brennstoffzellen für den Einsatz im Transportwesen und in stationären Kraftwerken zu einem Preis von 50-100 USD / kW verfügbar sein.

Für die Einführung von Brennstoffzellen im Alltag müssen Sie neben den billigeren Komponenten neue originelle Ideen und Ansätze erwarten. Insbesondere mit dem Einsatz von Nanomaterialien und der Nanotechnologie sind große Hoffnungen verbunden. So kündigten kürzlich mehrere Unternehmen die Schaffung hocheffizienter Katalysatoren an, insbesondere für eine Sauerstoffelektrode, die auf Clustern von Nanopartikeln verschiedener Metalle basiert. Darüber hinaus wurde über das Design membranfreier Brennstoffzellen berichtet, bei denen der Brennstoffzelle flüssiger Brennstoff (wie Methanol) zusammen mit einem Oxidationsmittel zugeführt wird.Ein interessantes Konzept ist auch das entwickelte Konzept von Biokraftstoffelementen, die in verschmutzten Gewässern arbeiten und gelösten Sauerstoff als Oxidationsmittel und organische Verunreinigungen als Kraftstoff verbrauchen.

Experten zufolge werden Brennstoffzellen in den kommenden Jahren in den Massenmarkt eintreten. In der Tat überwinden Entwickler nacheinander technische Probleme, berichten über Erfolge und präsentieren Prototypen von Brennstoffzellen. Zum Beispiel hat Toshiba einen fertigen Prototyp einer Methanol-Brennstoffzelle demonstriert. Es hat eine Größe von 22x56x4,5 mm und bietet eine Leistung in der Größenordnung von 100 mW. Ein Auftanken in 2 Würfeln konzentriertem (99,5%) Methanol reicht für 20 Stunden Arbeit eines MP3-Players. Toshiba hat eine kommerzielle Brennstoffzelle für die Stromversorgung von Mobiltelefonen herausgebracht. Wiederum zeigte derselbe Toshiba ein Element für die Stromversorgung von Laptops mit den Abmessungen 275 x 75 x 40 mm, sodass der Computer mit einer einzigen Betankung 5 Stunden lang arbeiten kann.

Ein anderes japanisches Unternehmen, Fujitsu, liegt nicht weit hinter Toshiba. Im Jahr 2004 führte sie auch ein Element ein, das auf eine 30% ige wässrige Methanollösung einwirkt. Diese Brennstoffzelle arbeitete 10 Stunden lang bei einer Betankung in 300 ml und gab gleichzeitig eine Leistung von 15 Watt ab.

Casio entwickelt eine Brennstoffzelle, in der Methanol zunächst in einem Miniatur-Brennstoffkonverter zu einem Gemisch aus gasförmigem H2 und CO2 verarbeitet und dann in die Brennstoffzelle eingespeist wird. Während der Demonstration versorgte der Casio-Prototyp den Laptop 20 Stunden lang mit Strom.

Samsung war auch auf dem Gebiet der Brennstoffzellen bekannt - im Jahr 2004 wurde der 12-W-Prototyp für die Stromversorgung eines Laptops vorgestellt. Im Allgemeinen erwartet Samsung den Einsatz von Brennstoffzellen, vor allem in Smartphones der vierten Generation.

Ich muss sagen, dass japanische Unternehmen die Entwicklung von Brennstoffzellen im Allgemeinen sehr gründlich angegangen sind. Bereits 2003 haben Unternehmen wie Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony und Toshiba gemeinsam einen gemeinsamen Brennstoffzellenstandard für Laptops, Mobiltelefone, PDAs und andere elektronische Geräte entwickelt. Amerikanische Unternehmen, die auch auf diesem Markt zahlreich sind, arbeiten meist im Rahmen von Verträgen mit dem Militär und entwickeln Brennstoffzellen zur Elektrifizierung amerikanischer Soldaten.

Die Deutschen sind nicht weit dahinter - Smart Fuel Cell verkauft Brennstoffzellen, um ein mobiles Büro mit Strom zu versorgen. Das Gerät heißt Smart Fuel Cell C25, hat Abmessungen von 150 x 112 x 65 mm und kann an einer einzelnen Tankstelle bis zu 140 Wattstunden produzieren. Dies reicht aus, um den Laptop etwa 7 Stunden lang mit Strom zu versorgen. Dann kann die Patrone ausgetauscht werden und Sie können weiterarbeiten. Die Patrone mit Methanol hat eine Größe von 99 x 63 x 27 mm und ein Gewicht von 150 g. Das System selbst wiegt 1,1 kg, sodass Sie es überhaupt nicht als tragbar bezeichnen können, aber es ist immer noch ein vollständiges und praktisches Gerät. Das Unternehmen entwickelt außerdem ein Kraftstoffmodul für die Stromversorgung professioneller Videokameras.

Im Allgemeinen sind Brennstoffzellen fast in den Markt für mobile Elektronik eingetreten. Die Hersteller müssen die neuesten technischen Probleme lösen, bevor sie mit der Massenproduktion beginnen.

Erstens ist es notwendig, das Problem der Miniaturisierung von Brennstoffzellen zu lösen. Denn je kleiner die Brennstoffzelle ist, desto weniger Leistung kann sie abgeben. Daher werden ständig neue Katalysatoren und Elektroden entwickelt, mit denen bei kleinen Größen die Arbeitsfläche maximiert werden kann. Pünktlich kommen hier die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie und der Nanomaterialien (z. B. Nanoröhren) zum Einsatz. Um die Rohrleitungen von Elementen (Kraftstoff- und Wasserpumpen, Kühl- und Kraftstoffumwandlungssysteme) zu miniaturisieren, werden zunehmend mikroelektromechanische Fortschritte erzielt.

Das zweite wichtige Problem, das angegangen werden muss, ist der Preis. In der Tat wird in den meisten Brennstoffzellen ein sehr teures Platin als Katalysator verwendet.Wieder versuchen einige Hersteller, die bereits gut entwickelte Siliziumtechnologie optimal zu nutzen.

Wie in anderen Bereichen des Einsatzes von Brennstoffzellen sind die Brennstoffzellen dort bereits gut etabliert, obwohl sie im Energiesektor oder im Verkehr noch nicht zum Mainstream geworden sind. Viele Autohersteller haben bereits ihre Konzeptautos mit Brennstoffzellenantrieb vorgestellt. In mehreren Städten auf der ganzen Welt fahren Brennstoffzellenbusse herum. Canadian Ballard Power Systems produziert eine Reihe stationärer Generatoren von 1 bis 250 kW. Gleichzeitig sollen Kilowattgeneratoren eine Wohnung sofort mit Strom, Wärme und Warmwasser versorgen.

Siehe auch: Alternative Energiequellen